多场驱动键合系统

2013-04-08  来源:

项目分类:加工仪器设备  立项年度:2009

负责人:李超波       完成年度:2012

完成单位:中国科学院微电子研究所

一、项目简要说明

本项目自行研制成功多场驱动键合系统,具有独特的自适应压力分布调整结构,获取了相关的自主知识产权。该设备采用电场、温度场和压力场的多场耦合作用的驱动方式,控制材料界面处的物理、化学态变化及材料内部的应力行为,将不同材料结合在一起,实现仅用单一材料和结构无法完成的复杂器件和特殊性能。在硅上绝缘体(SOI)、硅上化合物半导体、薄膜太阳能电池、三维(3D)封装及微电子机械系统(MEMS)等众多技术领域都有大量的应用。键合技术的研究已经成为微电子、光电子器件制作的重要技术手段,同时为国家发展具有自主知识产权的下一代IC 关键装备进行技术储备。整个键合系统由主腔室、波纹管组件、温度控制、高压控制、压头、真空系统和检测系统等模块组成。多物理场耦合作用情况下,大压力场和大范围温度循环对设备的可靠性要求极高,同时由压力和温度带来的压板材料形变对温度、压力的有效传输及其均匀性的控制是巨大的挑战。

本系统处于工作状态时, 真空度保持在5×10-3 Pa。目前温度稳定性控制采用PID 控制与高精度热偶反馈控制相结合的控制方式,温度范围可达500℃;并可实现系统快速升温、降温进程的稳步调控,确保温度的稳定性控制在±2℃以内。在键合机系统的设计中,针对压力施加及均匀性控制系统,采用波纹管和双压头的驱动设计结构,并辅以自动调平系统。多级缓冲可以实现增压泵压力波动的多级衰减,将压力均匀性性控制在±8%以内。针对压头结构,采用多层材料的结构,分别实现稳定的压力传导、绝热和导热层,

并最大程度的减小由于压力和温度变化带来的压头畸变。该压头可有效传输设定压力,并精确控制住施加在样品表面的压力均匀性,可在真实键合工艺中,提高易碎样品的键合成品率。

该仪器的主要技术指标:

二、在科研工作中发挥的作用

本项目自行研制的多场驱动键合系统能够同时兼容4 英寸和2 英寸圆片,是微电子、光电子器件制作的重要技术手段。项目组采用电场、温度场和压力场的多场耦合作用的驱动方式,进行了阳极键合、低温共晶键合、浆料键合、石墨烯等二维材料的制备等多种键合工艺研究,并得到了一系列创新性的研究成果:

1. 采用硅与硼硅玻璃Pyrex7740 原料进行阳极键合工艺,运用电场、温度场、压力场与真空环境的多场耦合,在键合过程中施加1000 V 以上的高电压,使得硅酸盐由于电子迁移和硅形成化学键,从而紧密的结合在一起完成键合。并且,经键合强度检测及剖面微观缺陷检测,所有样品键合强度均超过10 MPa,且键合面无气泡孔隙残留。

2. 针对MEMS 器件的应用需求,采用带有MEMS 器件预留腔的衬底,运用金属浆料进行了热压局部键合工艺研发,该工艺的顺利研发标志着本项目的研制,可为MEMS 产业的最大技术及成本瓶颈——键合封装工艺,提供重要技术支持。针对LED 等光电子器件的应用需求,采用蓝宝石衬底进行了250 ℃的低温键合工艺研发,采用本项目研发的灵敏自适应压头,保证了易碎的蓝宝石衬底毫发无损的完成了键合工艺。

3. 功能薄膜材料是电子信息科学的基础。石墨烯等二维电子材料的优异性能可能使碳基时代到来。目前的关键问题是如何实现高质量纳米薄膜的大面积制备。现利用本项目研制的多场驱动键合系统作为核心设施,提出了一种全新的研制方案,有望在纳米尺度上实现大尺寸的完整晶体薄膜制备。目前,采用该方案已初步获得部分探索成果。通过调控注入参数以及多物理场耦合参量,可在绝缘衬底上,无损转移制备出厚度小于20 nm 的碳基完整晶格纳米带;同时,毫米量级横向尺度,厚度小于2 nm 的大面积碳基二维纳米材料研制工作也获得了初步进展,为今后科研工作的开展打下了坚实基础。

(微电子所科技处供稿)

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