Термокомпрессионное соединение с использованием токопроводящего промежуточного слоя (металлов и их эвтектических сплавов).

При использовании одного и того же металла, чаще всего Au, Cu, Al, на поверхностях различных пластин термокомпрессионное соединение аналогично сварке, осуществляемой при температуре порядка 300-400 ^оС и усилии 20-80 кН с шириной герметизирующего слоя до 100 мкм (Рис.3.5).

Преимуществами такого соединения является легкость подготовки слоев металла, высокая прочность связи и герметичность, совместимость с КМОП процессом, недостатками – необходимость высокой чистоты поверхности металла, окисление некоторых металлов, требующее проведения процесса их восстановлении, и значительное различие в ТКР.

При использовании эвтектических сплавов, в частности сплавов Au/Si (силицида золота) в соотношении 2,9/97,1 масс %. с температурой плавления Тпл =370^оС, Au/Sn (80/20 масс %, Тпл =280^оС ), Al/Ge (49/51 масс %., Тпл =419^оС) и Pb/Sn c Тпл =183^оС на поверхности соединяемых пластин наносятся слои из индивидуальных компонентов сплава или из их соответствующих смесей (Рис.15а). Преимуществом использования эвтектик при термокомпрессионном соединении является их пониженная Тпл по сравнению с чистыми компонентами и переход в жидкое состояние с последующим затвердеванием в процессе термокомпрессии под давлением 1-2 МПа. При этом формируются очень прочные и герметичные соединения, в том числе в случае шероховатости или других особенностях топографии поверхностей соединяемых пластин, причем корпусирование совместимо с КМОП процессом. К недостаткам этого метода относится необходимость очень точного контроля состава сплава и температуры, а также значительное различие в ТКР промежуточного слоя и соединяемых пластин. При формировании соединения из эвтектического сплава возможно образование интерметаллических соединений между сплавом и подложкой (Рис. 15б), которые могут как повышать, так и понижать прочность связи. При необходимости для предотвращения образования таких соединений на поверхность соединяемых пластин наносят барьерный слой, например, слой оксида кремния.

Рис. 3.6. Типичная диаграмма состояния двухкомпонентной системы: буквой α обозначена твердая фаза вещества А с растворенным в нем веществом В, буквой β − фаза вещества В с растворенным в нем веществом А, буквой L – жидкая фаза. Комбинацией букв α + β, α + L и β + L обозначены смесь фаз или совокупность твердой фазы и жидкой фазы (расплава). Линия ликвидуса на диаграмме состояния определяет области начала кристаллизации сплавов данных составов при охлаждении. Линия солидуса определяет области начала плавления сплавов данных составов при нагреве. Линия сольвус определяет область параметров, при которых одновременно существуют фазы α и α + β или β и α + β. Точка на диаграмме, соответствующая минимальной температуре плавления, называется эвтектикой (на рисунке эта точка отмечена стрелкой), а соответствующий состав сплава называется эвтектическим. Для изображенной на рис. 3.6 диаграммы состояния эвтектический состав соответствует приблизительно 60 % компонента А и 40 % компонента В.

Практический интерес представляет бинарная система золото − кремний, диаграмма состояния которой представлена на рис. 3.7. Растворимости золота в кремнии и кремния в золоте настолько малы, что отобразить это на диаграмме состояния в выбранном масштабе практически невозможно. Эвтектика соответствует содержанию кремния в золоте примерно 6 %. Особенностью данной системы является то, что температура плавления эвтектики намного ниже, чем у чистых компонентов (золота и кремния). Это позволяет использовать эвтектический сплав для крепления кремниевых кристаллов к основанию корпуса (пайка эвтектикой).

 

Рис. 3.7. Диаграмма состояния Au–Si.

Диаграммы состояния, представленные на рис. 5.4 – 5.7, соответствуют бинарным сплавам, не образующих между собой химических соединений. Для некоторых систем при определенных (стехиометрических) соотношениях компонентов могут образовываться так называемые интерметаллические соединения. Примером может служить бинарная система золото − алюминий, в которой могут образовываться интерметаллиды AuAl2, AuAl, Au2Al, Au3Al2 и Au4Al. При соединении золотых проводников с алюминиевым слоем методом термокомпрессионой или ультразвуковой сварки в зоне контакта могут образовываться все из перечисленных выше интерметаллидов. Эти интерметаллиды могут возникнуть и позже, в процессе эксплуатации приборов, в которых имеются соединения проводников из Au к контактным площадкам из Al. Качество контакта золотых проводников к алюминиевым слоям заметно ухудшается и, в конечном итоге, возникновение интерметаллидов может привести к разрушению контакта. Этот эффект известен в литературе как «пурпурная чума» − по цвету одного из интерметаллидов.

 

ИОННАЯ ИМПЛАНТАЦИЯ

 

Ионная имплантация – методлегирования поверхностных слоев, заключающийся в обработке поверхности потоком высокоэнергетичных ионов и внедрении их в объеме материала.

Процессы ионной имплантации были использованы впервые для моделирования процессов, протекающих в твердых телах при их радиационной обработке. Было установлено, что в результате внедрения 1 иона тяжелых элементов в поверхностный слой число дефектов в 10⁶ раз больше по сравнению с числом дефектов, образующихся в результате воздействия 1 нейтрона. Следовательно, используя обработку поверхности ионами, можно в 10⁶ раз снизить дозу облучения для получения такого же эффекта, значительно интенсифицировать процессы генерации радиационных повреждений и сократить, таким образом, продолжительность исследований по выбору радиационно-стойких материалов.

Ионная имплантация характеризуется следующими основными преимуществами:

1) отсутствие термодинамических ограничений по составу образующихся в поверхностных слоях сплавов и химических соединений. Используя ионную имплантацию, принципиально возможно получение систем сложного состава с любым сочетанием компонентов;

2) при ионной имплантации формируются неравновесные метастабильные структуры, которые в ряде случаев имеют уникальные физико-механические свойства. Данная особенность обусловлена тем, что процессы структурообразования протекают в условиях очень быстрого охлаждения (скорость охлаждения может достигать значений ~10⁶ К/c);

3) универсальность и гибкость процесса; методом ионной имплантации удается получить слои с необходимым профилем концентраций легирующих элементов, структурным состоянием. Часто для регулирования характера распределения имплантированных атомов в поверхностном слое используется дополнительная термообработка;

4) высокая чистота процесса (процесс осуществляется в высоком вакууме); высокая автоматизация; широкие возможности в управлении ионным пучком, возможность локальной обработки;

5) возможность осуществления процесса при различных условиях и режимах, в том числе и при относительно низкой температуре поверхности;

6) возможность создания поверхностных слоев с высокими физико-механическими свойствами, которые трудно или даже невозможно получить другими методами обработки.

К основным недостаткам процесса ионной имплантации можно отнести:

1) образование в поверхностных слоях высокой концентрации дефектов. При высокой дозе облучения образуются даже аморфные слои. Для устранения дефектности проводят термическую обработку, в частности, кратковременный отжиг при температуре 400…700 ⁰С;

2) относительно сложное технологическое оборудование и низкая производительность процесса обработки.