Как сделать полупроводниковую пластину

Добавил пользователь Cypher
Обновлено: 05.10.2024

Изготовление кремниевых подложек

Изготовление микросхем начинается с изготовления подложки. Подложка представляет собой тонкую круглую пластину из полупроводника (кремний или германий высочайшей чистоты), изготавливаемую методом Чохральского [1, 2, 3]:

В ёмкость (тигель) с расплавленным кремнием (температура плавления 1414°С) вводится подвешенный затравочный кристалл кремния и нагревается в ней. Затем начинается процесс вытягивания затравочного кристалла в холодную зону вверх (кристалл при этом вращают). При вытягивании кремний принимает форму круглого стержня: в самом начале его диаметр составляет несколько мм, а затем, за счёт снижения температуры и скорости вытягивания, диаметр увеличивают до необходимой величины.

После процесса вытягивания полученный круглый стержень необходимой длины алмазными дисками нарезают на круглые пластины, которые затем полируют, вытравливают и чистят, чтобы их поверхность стала зеркально чистой.

Вот так выглядят круглые монокристаллы кремния после процесса вытягивания. Эти монокристаллы нарезают на тонкие пластины, которые затем полируют до зеркального блеска. Фотография SUMCO (источник [3])

Процесс изготовления монокристаллического кремниевого стержня показан на изображении:

Полупроводниковые пластины росли в размерах. Если в 60-х годах их размер составлял 10 мм, то сейчас производители микросхем активно работают с пластинами диаметром 150, 200 и 300 мм, хотя уже существуют и 450-миллиметровые [4]. Возможны и большие размеры (например, 1000 мм), но их создание вызывает некоторые трудности, такие как вытягивание кристаллов, изменение технологии нарезания и т.д.

И пластины (silicon wafer) , и стержни (silicon ingot) можно запросто купить в Китае 🙂 , так что если решите проектировать микросхемы - ничто Вам не помешает, материал есть в продаже 😉

Таким образом, пластина, получаемая из монокристаллического кремниевого стержня круглая, поскольку в процессе её изготовления затравочный кристалл вращается, то есть таковы особенности изготовления кремниевых пластин.

Но почему микросхемы квадратные?

Задайте себе вопрос: какими фигурами нужно заполнить (замостить) площадь круга, чтобы максимально её использовать?

Предположим, что мы владеем технологией создания круглых микросхем. Примем, например, площадь одной микросхемы, равной 491 мм² (тогда диаметр круга одной микросхемы равен 25 мм) и поместим наибольшее их количество на 300-миллиметровую кремниевую пластину.

А теперь возьмём квадратную микросхему с такой же площадью 491 мм² (соответственно, сторона чипа будет равна √491 = 22.16 мм) и тоже разместим как можно большее их количество на300-миллиметровой кремниевой пластине.

Что же у нас получилось? Смотрим на рисунке:

Разместил на одной 300-миллиметровой пластине наибольшее количество круглых микросхем, а на другой - наибольшее количество квадратных. Площади и круглой, и квадратной микросхемы одинаковы и составляют 491 мм². Заштриховал площади целых микросхем.

На круглой кремниевой пластине поместилось 107 микросхем, а на квадратной - целых 116.

Использование пластины при замощении круглыми микросхемами составляет 74.33%, при замощении квадратными - 80.58%

Понятно, что квадратные микросхемы одерживают безоговорочную победу, так как использовать пластину нужно по максимуму .

Однако, крайне важен ещё один факт: разрезать пластину на квадраты гораздо проще, чем вырезать в ней круги .

И, конечно же, не стоит забывать о формах транзисторов, вытравливаемых на кристалле: они либо прямоугольные, либо квадратные. Поэтому, если вытравливать их на круглой микросхеме, то потеряется полезное пространство.

Вот именно поэтому кремниевые пластины круглые, а микросхемы (чипы) - квадратные.

Базовая полупроводниковая пластина — материал из мода Galacticraft, который используется для создания базовых механизмов, таких как солнечные панели или компрессор.

Крафт базовой полупроводниковой пластины осуществляется в производителе микросхем. Чтобы скрафтить её, используйте следующий рецепт:

1 красный факел является основным ингредиентом, который должен быть размещен в правом нижнем слоту.
2 кремниевых куска
1 алмаз
1 красная пыль

Если вы играете в Выживании, можно использовать генератор в качестве основного источника питания (в творческом режиме, например, вы можете использовать батарейки, солнечные панели и др.). Вы можете подключить генератор к производителю микросхем, используя алюминиевый провод.

The Circuit Fabricator is a machine block that is used to produce the Blue Solar Wafer, Basic Wafer and the Advanced Wafer.

It is required to power it with energy, which can be connected using Aluminum Wire.

Ensure that the circuit fabricator is powered. Either a battery can be used in the lower-left slot or power can be fed in (e.g. from the Coal Generator) from the left side of the block.
A diamond has to be placed in the top left slot.
Redstone dust must be placed in the slot with the redstone icon.
Silicon needs to be placed in the center two slots. (From Galacticraft 3.0.10, other mods’ silicon can also be used here, if set in Galacticraft’s config.)
The top-right slot determines what the output is. For example, if a Redstone Repeater is placed in there, an Advanced Wafer is produced.
Bottom-right slot is the output. In this example, the Advanced Wafer will appear in that slot.

For greater efficiency, in Galacticraft 4 if you build your Circuit Fabricator in a zero-gravity dimension, it will create extra wafers from the same inputs (5 Basic Wafers or 2 Advanced Wafers). Galacticraft 3 you can have the same efficiency if you enable Quick Mode (note: Quick Mode has no effect on the Circuit Fabricator in Galacticraft 4: in Galacticraft 4, you must put the machine in zero gravity for this effect).

The speed depends on the energy tier:

Tier 1: One item every 15 seconds
Tier 2: One item every 10 seconds

In Galacticraft 3 and Galacticraft 4], the Circuit Fabricator can be filled from a Hopper or by piping in items using pipes from another mod — the Hopper or item pipes (including Applied Energistics II) can be connected on the top or any of the 4 sides of the Circuit Fabricator, but not the bottom. The Circuit Fabricator will automatically place incoming Hoppered or piped items into the correct slots, and silicon will spread evenly between the two silicon slots (isn’t that smart?)

Items made by the Circuit Fabricator can be extracted by a Hopper or item pipe on the bottom — just like a vanilla Furnace.

Рецепты и различные полезные материалы о МайнКрафт

В Minecraft пластины представляют собой своеобразные переключатели. Видов их существует несколько. До выхода МайнКрафт версии 1.5 были лишь деревянная и каменная пластины, после же – появились еще железная и золотая. Для активации деревянной пластины игроку нужно бросить в нее какой-либо предмет, либо стрельнуть луком по ней, ну или она автоматически активируется при попадании по ней моба. Что же касается каменной нажимной пластины, то она реагирует лишь на мобов.

На нажимные пластины нельзя размещать различного рода предметы, к примеру, песок и так далее. Хотя если речь идет о деревянной пластине, то бросок по ней этим самым предметом может вызвать ее мгновенную активацию. С каменными нажимными пластинами совсем все по-другому, обычным броском их не активировать.

Создание нажимных пластин

Активируются нажимные пластины также при использовании лодок и вагонеток. Деревянные вообще активируются каждый раз, когда на нее наезжает какой-либо транспорт. А каменные только в том случае, если в транспорте что-либо находится. Неважно кто или что именно: игрок или моб, а может быть какой-либо предмет. Важно отметить, что нажимные пластины в МайнКрафт не могут функционировать точно так, как рельсы, то есть проезжающий транспорт останется на нажимной пластине только в том случае, если он не будет проходить на довольно высокой скорости.

Крафт нажимных пластин настолько прост, что их можно смастерить даже без помощи верстака, то есть – руками. Нужно всего-то две доски, если речь идет о деревянной нажимной пластине и 2 камешка, если желаете скрафтить каменную нажимную пластину.

Обе пластины, кстати, можно разрушить, взяв в руки кирку. Но пластина в таком разе вовсе не разрушится, просто выпадут ингредиенты, которые можно заново сложить.

Чипы, процессоры или полупроводники, являются критически важным компонентом для миллиардов электронных устройств, предназначенных как для личного, так и для коммерческого использования. О том, как будет развиваться отрасль и какие компании могут стать лидерами, — в статье.

Прародителями чипов стали ламповые компьютеры и точечные транзисторы, появившиеся в середине — конце 40-х годов XX века. C развитием технологий процессоры становились меньше, мощнее и энергоэффективнее, и современные чипы содержат уже миллиарды транзисторов.

О секторе

Полупроводники применяют в электронных часах, машинах, персональных компьютерах и видеоиграх, смартфонах и для создания продуктов интернета вещей (IoT). Сегодня чипы являются неотъемлемой частью искусственного интеллекта и машинного обучения.

Раньше микросхемы были достаточно легкими в производстве, а заводы в основном располагались в США. Теперь же процесс создания чипов стал высокотехнологичным, трудоемким и дорогим. В 1990 году доля США в мировом производстве чипов составляла 36,5%, но к 2020 году этот показатель упал до 11,6%. Компании начали переносить производства в Азию, чтобы снизить себестоимость производства продукции.

Как изготавливаются полупроводники

Весь цикл разработки любого чипа можно условно разделить на три этапа:

Проектирование и разработка архитектуры. Ее создают на бумаге или компьютере, чтобы взять за основу производства будущего процессора.
Производство и тестирование. Это самый трудоемкий процесс с соблюдением стандартов и максимальной стерильности.
Сборка. На этом этапе готовая продукция собирается в рабочую систему.

В некоторых компаниях весь процесс производства чипов налажен от проектирования до сборки. Среди них — Intel, Samsung, Micron, Texas Instruments, Analog Devices и прочие. Другие занимаются только разработкой архитектуры для процессоров — это Nvidia, AMD, Qualcomm, ARM, Broadcom, Xilinx. У них нет своего производства, поэтому их называют бесфабричными. Третий тип — компании-производители. Лидерство в этом направлении удерживает TSMC с долей рынка более 50%. При этом крупными клиентами компании являются Apple, Intel, Huawei, AMD, NVIDIA, Qualcomm, ARM, HiSilicon, MediaTek, Realtek и другие.

Почему случился дефицит полупроводников

Согласно экспертным оценкам, текущий дефицит полупроводников может сохраниться до 2023 года. Основными причинами текущего недостатка чипов стали пандемия COVID-19 и сбой в цепочках поставок.

На производство полупроводников также негативно повлияли неблагоприятные погодные условия — похолодание в Техасе, засуха на Тайване, пожар в Японии.

Другим фактором текущего недостатка полупроводниковой продукции стало увеличение потребительского спроса на широкий спектр бытовой электроники из-за необходимости многих сотрудников перейти на удаленную работу.

Факторы, меняющие рынок

Производство чипов нового поколения подталкивает индустрию к созданию новых устройств и удешевлению старых, разработка которых было ограничена технологиями или высокой стоимостью.

Отмечаются и другие тренды, влияющие на отрасль.

Потенциальные лидеры рынка

Производство чипов — это очень сложный бизнес. Для строительства заводов требуются колоссальные инвестиции и большая степень экспертизы, поэтому новым игрокам тяжело выйти на рынок. Среди лидеров можно выделить десять компаний с высокой капитализацией.

Taiwan Semiconductor Manufacturing Company

Капитализация — $648 млрд, дивиденды — 1,42%. Компания основана в 1987 году правительством Тайваня и частными инвесторами. TSMC обслуживает клиентов в компьютерном, коммуникационном, потребительском, промышленном, автомобильном и других сегментах в Северной Америке, Европе, Японии, Китае и Южной Корее. Масштабы и высокие технологии позволяют компании получать хорошую операционную прибыль даже в высококонкурентном литейном бизнесе. Самые современные 5-нанометровые чипы приносят 18% дохода, основной доход компания получает от производства 7 нм — 34%, 16 и 28 nm приносят 23%, остальные — 25%. TSMC является лидером технологий, имея при производстве 5 нм единственного конкурента в лице Samsung, который производит его для собственных нужд.

Broadcom

Капитализация — $257 млрд, дивиденды — 2,64%. Американская компания, которая образовалась в 2016 году в результате поглощения компанией Avago Technologies Limited американской Broadcom Corporation. На счету Broadcom — более 5000 патентов. Компания специализируется на производстве систем на кристалле, производит компоненты для Wi-Fi, Bluetooth, GPS, Ethernet, адаптеры хост-шин, контроллеры флеш-памяти, предусилители, промышленную волоконную оптику, а также кодеры и подсистемы управления движением. Главный фокус компании сосредоточен на радиочастотных фильтрах и усилителях, которые используются в смартфонах iPhone и Samsung Galaxy.

В конце 2021 года Broadcom приобрела компанию AppNeta, которая поставляет SaaS-решения для мониторинга производительности сети и облачных приложений.

Ранее компания приобрела Brocade, CA Technologies и подразделение корпоративной безопасности Symantec, чтобы расширить свои предложения в области ПО.

Intel

Капитализация — $226,14 млрд, дивиденды — 2,49%. Производитель электронных устройств и компьютерных компонентов, включая микропроцессоры и чипсеты. Компания первой разработала архитектуру x86 для микропроцессоров. Intel является компанией полного цикла, которая самостоятельно проектирует, разрабатывает, производит и продает технологии для облачных, интеллектуальных и подключаемых устройств для розничной, промышленной и бытовой торговли по всему миру (в том числе в сегментах искусственного интеллекта и автомобилестроения).

QUALCOMM

Капитализация — $208,79 млрд, дивиденды – 1,46%. Американская государственная многонациональная корпорация, которая разрабатывает и лицензирует беспроводные технологии, а также чипы для смартфонов. Qualcomm разработала программное обеспечение для автомобилей, часов, ноутбуков, Wi-Fi, смартфонов и других устройств. Компания занимается разработкой и коммерциализацией базовых технологий для беспроводной индустрии по всему миру.

Компания предоставляет услуги правительственным агентствам США и их подрядчикам. Подробный обзор компании — Qualcomm: инвестиции в чипы и технологии.

Texas Instruments

Капитализация — $179 млрд, дивиденды — 2,47%. Компания из США была основана в 1930 году, сейчас является производителем полупроводниковых элементов, микросхем, электроники и изделий на их основе. Крупнейший в мире производитель аналоговых микросхем, которые используются для обработки сигналов, и микроконтроллеров, использующихся в самых разных электронных приложениях. Также производит микросхемы для широкополосных модемов, компьютерной периферии, электронных бытовых устройств и радиочастотных меток. Около 95% своего дохода компания получает от полупроводников, а оставшуюся часть — от первых в мире инженерных калькуляторов.

В 2022 году Texas Instruments планирует начать строительство новых заводов по производству 300-миллиметровых полупроводниковых пластин в Шермане, Техас. Всего планируется построить четыре завода, строительство первого завершится в 2025 году. Объем инвестиций в проект может составить $30 млрд.

Applied Materials

Капитализация — $147 млрд, дивиденды — 0,6%. Американская корпорация, крупнейший в мире поставщик оборудования для производства полупроводников. Поставляет оборудование, оказывает услуги и продает программное обеспечение для производства полупроводниковых чипов для электроники, дисплеев для компьютеров, смартфонов и телевизоров, а также солнечных панелей. Компания предлагает решения в области материаловедения, которые помогают производить почти все микросхемы в мире. Полупроводники приносят 72,5% выручки, прикладные услуги — 20%. Дисплеи и другая продукция приносят 7,5% дохода.

Applied Materials выпустила две новых машины для производства полупроводников из карбида кремния, которые используются в электромобилях. Первая позволит удвоить количество производимых чипов и снизить их себестоимость. Второе устройство поможет улучшить электропроводность пластин.

Micron Technology

Капитализация — $106,50 млрд, дивиденды — 0,21%. Исторически Micron занималась разработкой и производством памяти для персональных компьютеров и серверов, а затем вышла на рынок флеш-памяти. Компания предлагает продукты памяти для облачных серверов, предприятий, клиентов, графики и сетевых рынков, а также для рынков смартфонов, игровых консолей, автомобилей и других устройств.

Micron Technology планирует инвестировать более $150 млрд до 2031 года в передовые технологии производства памяти и НИОКР, включая расширение своего завода в США. Подробнее о перспективах компании в обзоре — Micron: память для всех цифровых устройств.

Lam Research

Капитализация — $101 млрд, дивиденды — 0,87%. Американский международный поставщик оборудования для производства полупроводниковых пластин и сопутствующих услуг для полупроводниковой промышленности с 15%-ной долей рынка. Компания продает свою продукцию и услуги полупроводниковой промышленности в США, Китае, Европе, Японии, Корее, Юго-Восточной Азии и Тайване.

Lam Research откроет новый завод по производству оборудования для микросхем. Объект площадью 4,2 тыс. м2 был введен в эксплуатацию в декабре 2021 года. Этот завод станет пятой производственной площадкой Lam Research в США.

Microchip Technology

Skyworks Solutions

Капитализация — $26 млрд, дивиденды — 1,43%. Полупроводниковая компания полного цикла, которая проектирует, разрабатывает и производит на собственных фабриках запатентованные полупроводниковые продукты для беспроводных телефонов и других устройств, использующиеся для обеспечения беспроводной связи. Основная продукция включает усилители мощности и фильтрации, переключатели и различные беспроводные модули. В отличие от AMD, Nvidia, Intel и TSMC, Skyworks Solutions не так хорошо известна инвесторам, хотя она занимает прочное место в своем секторе. В частности, это обусловлено использованием компонентов Skyworks Solutions в работе Алисы — умной колонки Яндекса.

Самые большие возможности для роста компании заключаются в переходе смартфонов на 5G. Эти телефоны имеют более высокую стоимость продуктового стека Skyworks в расчете на одно устройство — в среднем $25. Ключевыми клиентами компании являются Amazon, Apple, Bose, Cisco, Foxconn, General Electric, Google, Huawei, Lenovo, LG Electronics, Microsoft, Motorola, Samsung, Xiaomi, ZTE и другие.

Полгода назад Skyworks Solutions завершила приобретение инфраструктурного и автомобильного бизнеса компании Silicon Laboratories за $2,75 млрд. Подробнее о перспективах компании — в обзоре Skyworks Solutions: контракты с Samsung, Xiaomi и Apple.

Qorvo

Капитализация — $17 млрд, дивидендов нет. Американская полупроводниковая компания, которая появилась в январе 2015 года благодаря слиянию RF Micro Devices и TriQuint Semiconductor. Компания разрабатывает, производит и поставляет радиочастотные системы для приложений, обеспечивающих беспроводную и широкополосную связь, а также оказывает литейные услуги.

В 2021 году у компании было два поглощения. Qorvo приобрела компанию United Silicon Carbide, которая занимается производством силовых полупроводников из карбида кремния. Также Qorvo приобрела NextInput, которая предоставляет сенсорные решения на основе микроэлектромеханических датчиков MEMS для потребительского, автомобильного, мобильного, робототехнического, медицинского и промышленного рынков. В прошлом году Qorvo получила разрешение FDA для экстренного использования своего теста Qorvo Omnia на антиген SARS-CoV-2. Тест разрешен для применения образцов мазков из носа у людей с подозрением на коронавирус.

Риски отрасли

Техническое отставание. Полупроводниковая отрасль работает на множество секторов, поэтому инновации в одной из них повлияют на весь сектор в целом. Новые технологии создаются каждые полгода. Например, Intel, за пару лет отстав от конкурентов, сейчас тратит много ресурсов, чтобы догнать лидеров рынка.

Большие затраты на НИОКР. На разработку и поддержание научно-технической деятельности компании вынуждены тратить существенную часть своей выручки.

Экология. В 2020 году 45% электроэнергии в Тайване производилось с помощью угля. При производстве чипов выделяется много тепла, для снижения которого используют водные ресурсы. Сырье для разработки также не является экологичным.

Цикличность рынка. После постройки заводов и их выхода на полную мощность может сложиться такая ситуация, когда предложение будет превышать спрос. Это может снизить цены и сильно ударить по акциям полупроводниковых компаний.

Форс-мажоры. Дефицит чипов может возникнуть из-за новых локдаунов или геополитической напряженности в Азиатско-Тихоокеанском регионе, где сосредоточено большинство производств.

Другие проблемы. Логистика, налоги, валютная переоценка, техника безопасности, дорогостоящее техобслуживание текущего оборудования, постоянное обновление ПО, наличие долгосрочных контрактов, с одной стороны, фиксируют цену, с другой — в периоды ажиотажа не позволяют ее поднять.

Прогнозы и оценка развития отрасли

Рост полупроводников связан с активным спросом со стороны носимых устройств, новых гаджетов, диджитализации всех отраслей. В жизни современного человека появились роботы, беспилотные автомобили, 5G, интернет вещей, облачные технологии, дополненная реальность, покупки в интернете, системы распознавания лиц, умные города, создание лекарств искусственным интеллектом. Все это способствует росту полупроводниковой отрасли.

Согласно прогнозам, спрос на полупроводниковую продукцию растет во всех регионах и всех секторах экономики в среднем на 8,6% ежегодно до 2028 года. Но потребление чипов только для нужд искусственного интеллекта и машинного обучения должно вырасти с 1,6 млн штук в 2022 году до 2,9 млн в 2025 году. Это говорит о ежегодном росте в 27%.

В ближайшее время полупроводниковым производителям необходимо:

удовлетворить текущий отложенный спрос со стороны автоиндустрии и производителей электроники;
нарастить мощности, чтобы покрыть текущие потребности со стороны промышленного сектора, зеленой энергетики и сектора развлечений;
покрыть потребности со стороны технологий будущего, биотехов, энергетики и энергоэффективности.

В 2020 году объем рынка полупроводников оценивался в $440 млрд, а в 2021-м сектор вырос более чем на 25% — до $552,9 млрд. В 2019 году аналитики отмечали, что такого уровня данная отрасль способна достичь только в 2023 году. По новым данным, к 2035 году рынок полупроводников может достигнуть $2 трлн. Рынок 5G оценивается примерно в $40 млрд, но уже в 2030 году может вырасти до $500 млрд. Переход на гибридные автомобили и электрокары увеличит ежегодный спрос на чипы со стороны автоиндустрии на 17%.

Если сравнивать отрасль чипмейкеров с S&P 500 и Nasdaq, то на пятилетнем горизонте полупроводники обгоняют S&P в 2,3 раза, Nasdaq — в 1,5 раза, а также значительно опережают рост мирового ВВП.

Чтобы охватить весь сектор, можно инвестировать в готовый ETF или выбрать сразу несколько компаний. Например, оценить перспективы смежных индустрий — телекоммуникаций, робототехники, искусственного интеллекта, автоиндустрии, а затем выбирать из полупроводниковых компаний, которые работают на обеспечение этого рынка. Еще одним вариантом может стать инвестирование в поставщиков оборудования и программного обеспечения для создания чипов, а также их тестирования.

С увеличением степени интеграции изделий микроэлектроники, их функционала, быстродействия и энергоэффективности широкую перспективу для разработчиков открывают технологии 2,5D- и 3D-интеграции. Для технологов, воплощающих передовые разработки в конечное изделие, возникает много новых задач в этой области. Технологической основой 2,5D- и 3D-интеграции, а также изготовления МЭМС и устройств микрофлюидики, являются различные методы сварки пластин.

Все методы непосредственной сварки требуют очень качественной поверхности с экстремально высокими требованиями к чистоте и шероховатости. Анодная сварка неприменима для многих задач 3D-интеграции из-за несовместимости стекла с полупроводниковым производством. Процессы сварки через металл часто сложны для отладки технологического процесса из-за металлургических эффектов. Многие методы сварки требуют наличия дополнительного технологического оборудования помимо установки сварки пластин.

Среди самых распространённых – сварка через полимеры (англ.: adhesive bonding). Она во многом лишена приведённых недостатков и является относительно простой в исполнении. Данная статья посвящена основным особенностям этого процесса и применяемым для него материалам.

Общая характеристика метода

Полимер, с помощью которого производится сварка, наносится на одну из пластин методом центрифугирования или спреем. Затем при необходимости в нём формируется топология, после чего пластины соединяются внутри специальной установки, где под воздействием механического прижима и температуры формируется их надёжное соединение.

В качестве полимеров могут быть использованы практически любые материалы для фотолитографии или межслойной изоляции самых верхних уровней металлизации. Если используются фоточувствительные полимеры, то можно формировать в них топологию обычным литографическим методом. Способ удобен тем, что для его использования не требуется какое-либо дополнительное оборудование, кроме установки сварки. Слои формируются при помощи стандартного литографического процесса.

Преимущества такого метода:

невысокие требования к шероховатости поверхности и геометрии пластин;
низкая чувствительность к дефектам;
небольшие усилия прижима;
невысокая температура в процессе сварки.

Основным недостатком способа является невозможность обеспечения герметичности из-за того, что полимеры в силу своей структуры пропускают молекулы газов. Это ограничение не позволяет применять способ в тех устройствах, где требуется вакуум (различные высокодобротные резонаторы в МЭМС, устройства вакуумной электроники, изделия со стабильной атмосферой в герметичном объёме). Однако в области 2,5D- и 3D-интеграции, для несложных массовых МЭМС и устройств микрофлюидики данный способ выглядит привлекательным. Он лишён тех принципиальных недостатков и сложностей, которые есть у других процессов сварки.

Выбор материала

В зависимости от изделия для полимерной сварки могут быть применены как фоточувствительные, так и нефоточувствительные материалы, свойства которых приведены в Таблице 1. Как видно из таблицы, все материалы обладают довольно низким модулем упругости.

Таблица 1 Свойства полимеров для сварки

Модуль упругости, ГПа

Температура стеклования, °С

Удельное сопротивление, Ом*см

Диэлектрическая прочность, В/мкм

Остаточные напряжения в плёнке, МПа

Тангенс угла диэлектрических потерь

Это свойство позволяет им распределять механические напряжения, возникающие при соединении пластин с разными коэффициентами теплового расширения (КТР). Учитывая, что процесс сварки проводится при относительно невысоких температурах, использование данных материалов позволяет осуществлять 3D-интеграцию разнородных устройств, выполненных на основе разных полупроводников.

Нефоточувствительные материалы применяются тогда, когда не нужно создавать топологию в соединяющем слое, т. е. когда происходит сварка с помощью сплошного слоя. Такой способ может быть использован, например, для соединения двух пластин, когда одна сторона предназначена для соединения с подложкой с помощью шариковых выводов, а другая для проволочной разварки. Нефоточувствительные материалы в основном используются, если не требуется непосредственная интеграция функциональных свойств, но требуется экономия площади изделия.

Примеры нефоточувствительных материалов, которые могут использоваться для сварки, – это полимер на основе бензоциклобутена (BCB) Cyclotene серии 3000 и нефоточувствительные полиимиды серий PI 2500 и PI 2600. На рис 3 приведена микрофотография кристалла, при изготовлении которого пластины были соединены с помощью полимера на основе BCB.

Обычные фоторезисты являются классическими фоточувствительными материалами. Это простейший пример материалов для сварки пластин. С точки зрения прочности соединений, которые можно создавать с помощью фоторезистов, практически нет корреляции с тональностью этого материала (позитивный или негативный). Производители фоторезистов обычно не предоставляют данные по диэлектрическим характеристикам своих материалов, а также по долговременной стабильности их свойств, поскольку эти данные не требуются в обычном фотолитографическом процессе. Поэтому такие материалы могут быть использованы для сварки при изготовлении прототипов изделий МЭМС, для проверки технологических концепций в области 2,5D- и 3D-интеграции, но не для перманентной сварки в изделиях, требующих долговременной эксплуатации. В одноразовых изделиях микрофлюидики для неагрессивных жидкостей сварка через фоторезисты может быть применена при серийном производстве, поскольку для данных изделий не существует требований к электрическим характеристикам. Примером фоторезистов, которые можно рекомендовать для сварки через полимеры, является серия AZ P4000. Это позитивные химически усиленные фоторезисты, которые позволяют наносить плёнки толщиной 1-30 мкм. Механические и диэлектрические свойства этого материала стабилизируются после дополнительной тепловой обработки вслед за проявлением (post develop backing).

Особым классом материалов для сварки пластин являются перманентные фоторезисты, предназначенные для формирования функциональных слоёв. Они обладают стабильностью механических свойств и высокой химической стойкостью. Самый известный пример – фоторезисты серии SU-8. Экспериментально было показано 3 , что при использовании данных материалов достигается наивысшая прочность соединения пластин по сравнению с другими фоторезистами. На рис 3 приведена фотография поперечного сечения двух кремниевых пластин, соединённых при помощи SU-8.

Фоточувствительные диэлектрики на основе полиимидов и BCB также могут широко использоваться для сварки. Они сохраняют стабильность механических и диэлектрических свойств в широком диапазоне температур. Для формирования в них топологии не требуется нанесение дополнительного слоя фоторезиста, как для их нефоточувствительных аналогов. Диэлектрические свойства этих материалов в широком диапазоне частот позволяют использовать их при 2,5D- и 3D-интеграции телекоммуникационных изделий. Примеры материалов приведены в Таблице 2.

Таблица 2 Технологические свойства фоточувствительных диэлектриков, пригодных для сварки через полимеры (производитель – компания DuPont)

BCB = бензоциклобутен; PI = полиимид; TMAH = тетраметиламмония гидроксид

Существуют специальные материалы, разработанные для перманентной сварки пластин. Компания Kayaku Advanced Materials (ранее известная как Microchem) выпускает серию материалов под брендом PermiNex. Они оптимизированы для процесса сварки с точки зрения адгезии к поверхности при нанесении. Также они обеспечивают большую прочность соединения на разрыв по сравнению с фоторезистами (даже SU-8), BCB и полиимидами.

Таким образом, существует множество полимерных материалов, пригодных для сварки при изготовлении разнообразных изделий. Обычные фоторезисты используются для изготовления прототипов МЭМС, некоторых изделий микрофлюидики. Полимеры, специально разработанные для сварки, и перманентные фоторезисты применяют при изготовлении прочих изделий МЭМС и микрофлюидики, где не требуется герметичность. Если необходимы высокие диэлектрические свойства и химическая стойкость герметизирующего шва, то для полимерной сварки используют полиимиды либо полимеры на основе BCB.

Особенности процесса

Схема технологического процесса сварки пластин через полимеры приведена на рис 4. Подготовка пластин перед сваркой полностью совпадает со стандартным литографическим процессом. В процессе нанесения полимера важно сделать удаление краевого валика и промывку обратной стороны пластины. Валик помешает приведению пластин в контакт и потребует значительного увеличения температуры и давления при сварке. После нанесения полимера на подготовленную поверхность пластины происходит сушка для испарения растворителя. Если полимер фоточувствительный, то проводится литография. После проявления и сушки производится дополнительная температурная обработка. Для фоторезистов она стабилизирует их свойства (температура 90-150 °C, время 5-20 минут). У полиимидов и BCB при температурной обработке происходят реакции сшивки входящих в их состав полимеров, эти процессы осуществляются при температурах 200-250 °C в течение 10-60 минут. При полимеризации BCB необходима продувка азотом, поскольку неполимеризованный материал легко окисляется кислородом воздуха 4 .

Для сварки желателен вакуум 10-3 мбар. Откачка камеры установки сращивания позволяет избежать формирования воздушных пустот, а также снижает влияние атмосферного кислорода на полимеры 5 .

После загрузки пластин в камеру сварки и откачки воздуха обе пластины нагреваются до температуры, которая на 10 °C превосходит температуру оплавления полимера. Для фоторезистов это диапазон 110-150 °C. BCB и полиимиды являются более термически стойкими, для них температура в процессе нагрева подложек должна составлять около 250 °C. Пластины выдерживаются при выставленной температуре 10 минут для обеспечения равномерного прогрева.

После завершения прогрева убираются разделительные проставки между пластинами, и пластины приводятся в контакт. Для получения надёжного соединения необходимо, чтобы полимер смочил поверхность пластины, к которой осуществляется сварка. При этом не требуется экстремально низкая шероховатость поверхности, как в случае непосредственной сварки, для полимерной сварки достаточно шероховатости до 10 нм. В процессе сварки к сборке равномерно прикладывается усилие 0,3-0,5 МПа. Полимер не чувствителен к мелким точечным дефектам поверхности (размер менее толщины плёнки), они будут погружены в него и не повлияют на качество соединения. Через несколько минут после приложения усилия в камеру сварки напускается азот и происходит охлаждение пластин. При температуре около 50 °C для фоторезистов и 100 °C для полиимидов и BCB механическое усилие снимается. Пластины можно выгружать из установки при температуре 50 °C. После сварки создаётся высокопрочное соединение, которое без каких-либо повреждений выдерживает процесс разделения на кристаллы при помощи алмазного диска (рис 5) и дальнейшие нагрузки при эксплуатации.

Таким образом, технологический процесс сварки достаточно прост. Если установка сварки оснащена принудительным охлаждением держателей пластин, то весь цикл от загрузки пластин до выгрузки занимает 20-30 минут. Благодаря невысокой температуре, до которой нагреваются подложки, это время существенно ниже того, которое требуется для сварки через стеклокерамический припой и анодной сварки.

Заключение

Современная электроника, МЭМС и микрофлюидика при создании широкой номенклатуры изделий требуют соединения пластин из одинаковых или разнородных материалов. Существует множество методов осуществления данного процесса. Один из самых простых способов – сварка пластин через полимеры. В отличие от многих других способов она полностью совместима с КМОП-процессами и не требует дополнительного оборудования, кроме установки сращивания пластин.

Метод применим в основном для тех изделий, при эксплуатации которых не требуется вакуум. Примерами таких изделий являются вертикально интегрированные микросхемы по технологии 2,5D и 3D, МЭМС, изделия микрофлюидики. В отличие от подавляющего большинства других методов сварка через полимеры не требует нагрева пластин до высоких температур. Также преимуществом являются низкие механические напряжения в пластинах после процесса и малая чувствительность к пылевидным дефектам, что особенно актуально при требовании высокого выхода годных изделий.

Для приложений, где не требуется создание топологии в соединительном слое полимера, для сварки могут быть использованы полимеры на основе полиимидов и BCB. Там, где необходимо создать топологию в соединительном слое, используются фоточувствительные версии тех же материалов. Кроме того, существуют специальные фоточувствительные полимеры, предназначенные для сварки пластин. Фоторезисты также могут быть использованы для сварки пластин во многих применениях.

Читайте также: