JP6887416B2 - 超音波を用いた自己整列を伴う直接結合のための方法 - Google Patents

超音波を用いた自己整列を伴う直接結合のための方法 Download PDF

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Description

本発明は、少なくとも1つの電子チップを基板上または少なくとも1つの他の電子チップ上に自己整列の方法で直接結合する方法に関する。電子チップ(「ダイ」とも呼ばれる)とは、基板の一部であって、基板のこの一部に例えば電子部品を形成する技術的なマイクロエレクトロニクスの工程を既に経ているか、または経ていない基板の一部を意味している。そのような電子チップは、集積回路に対応することができる。基板とは、例えば電子部品を基板に形成する技術的なマイクロエレクトロニクスの工程を既に経ているか、または経ていない、例えば(一般的にシリコンの)半導体のプレート(「ウェハ」とも呼ばれる)を意味している。これらの技術的なマイクロエレクトロニクスの工程は、例えば、リソグラフィ、エッチングおよび堆積の工程である。
「分子結合」とも呼ばれる、または「ウェハ結合」とさえも呼ばれる直接結合は、結合材料(グルー、ワックスなど)に頼らずに、2つの表面を、これらの両方の表面を直接接触させることによって互いに固定することを可能にしている組立技術である。この結合の種類では、開始される表面間の密接な接触を可能にさせるため、結合すべき表面は、十分に滑らかであり(一般的に、RMS(Root Mean Square)が0.5nm程度の粗さを有する)、粒子または汚染物がなく、互いに十分に近接して動かされるので、接着が達成される。この場合、両表面間の引力は、両表面の分子接着を互いに引き起こすのに十分高い。分子結合は、結合すべき両表面の原子または分子間の全ての電子的相互作用の引力(ファンデルワールス力)によって誘起される。組み立てられる表面間の結合エネルギーを増加させるために、結合の間または結合の後に加熱処理を行うことができる。
そのような直接結合は、例えば単結晶シリコンの2つの基板間の、いわゆる「疎水性」結合に対応することができる。この場合、結晶性シリコンの2つの基板では、直接結合はその結果、結合した材料間に結晶性の「接続」を形成する。直接結合はまた、例えば酸化シリコンの2つの基板間の、いわゆる「親水性」結合に対応することもできる。そのような親水性結合において、両基板間に存在する水膜は、ファンデルワールス力よりも強い水素結合の相互作用が得られることを可能にしている。
基板または別の電子チップへの電子チップの親水性の自己整列された直接結合をさせるために、自己整列媒体としての流体を使用する異なる自己整列技術に頼ることが可能である。例えば、福島らによる「Multichip Self-Assembly Technology for Advanced Die-to-Wafer 3-D Integration to Precisely Align Known Good Dies in Batch Processing」 IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 1, n° 12, 2011年12月, 第1873〜1884頁の文献では、チップの位置に対応する親水性のゾーンに含まれる水滴の使用を通して親水性のゾーンおよび疎水性のゾーンを含む基板上に電子チップを自己整列させる手段が記載されている。チップは、水滴上に配置され、チップを基板上のその位置に対して整列させることができる。
これらの技術の欠点は、探索すべき全ての可能な位置合わせ構成が、それ以降基板上のチップの最良の位置合わせを提供する最適な構成を選択することができないことである。上述の文献で説明された方法では、チップが基板上の最初の位置決めの後で数十度だけずらされる場合、例えば、チップが受ける寄生毛管力の存在のような異なる理由の結果であり得るこの不整合は、チップが基板に完全に固定されるまで持続し得る。
"Multichip Self-Assembly Technology for Advanced Die-to-Wafer 3-D Integration to Precisely Align Known Good Dies in Batch Processing" by T. Fukushima and al., IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology, vol. 1, n° 12, December 2011, pages 1873-1884
本発明の1つの目的は、自己整列媒体としての流体を使用して、従来技術の結合方法よりも良好な自己整列効率を有する、電子チップを基板または他の電子チップに自己整列の方法で直接結合する方法を提供することである。
このために、本発明は、少なくとも1つの第1の電子チップを基板または少なくとも1つの第2の電子チップに直接結合する方法であって、
− 第1の電子チップの面上および基板または第2の電子チップの第1の面上のそれぞれに、互いに対して約70°より大きい第1の流体についての接触角差を有する少なくとも1つの第1および第2の部分を作成するステップであって、第1の部分は、第2の部分の第1の流体についての接触角よりも低い接触角を有しており、および互いに対して実質的に類似の形状及び寸法を有しており、並びに第1の電子チップの面および基板または第2の電子チップの第1の面の各々において、第1の部分は第2の部分によって区切られている、作成するステップと、
− 基板または第2の電子チップの第1の面の第1の部分上に第1の流体を置くステップと、
− 第1の流体上に第1の電子チップの面の第1の部分を置くステップと、
− 第1の電子チップの面の第1の部分と基板または第2の電子チップの第1の面の第1の部分との固定が達成されるまで、第1の流体を除去するステップと、を少なくとも含み、
第1の流体の除去の少なくとも一部の間に、基板または第2の電子チップを通して第1の流体中に超音波を放射するステップをさらに含む方法を提供する。
第1の流体を除去する段階の間に、第1の流体中に超音波を放射することにより、第1の電子チップは、第1の流体のこの除去の間、すなわち基板または第2の電子チップの第1の面の第1の部分に対する第1の電子チップの自己整列の間に、機械的擾乱を受ける。この自己整列は、異なる接触角を有する部分についての濡れエネルギーを最小にすることによって規定される。超音波は、基板または第2の電子チップを通過し、その後、第1の電子チップの自己整列媒体として作用する第1の流体に伝播する。この超音波は、放出される出力に依存して、第1の電子チップに機械的圧力を及ぼすか、または次々に第1の電子チップに機械的圧力を及ぼす第1の流体におけるキャビテーション気泡を生じさせることができ、第1の電子チップの位置を修正し、および第1の電子チップが受ける自己整列力が大きさを再びとることを可能にしている。超音波に曝されることにより、第1の電子チップは、最適な整列位置のあたり、または周囲で振動し、第1の流体の除去の終わりに、この最適な整列位置に到達する。
有利には、第1の流体は水であってもよい。
放射される超音波は、約1MHz以上の周波数を有していてもよい。そのような超音波は「メガサウンド」とも呼ばれている。一般に、使用される超音波は約10kHzから10MHzの周波数を有していてもよい。
超音波は、約0.1W/cmから5W/cmの出力で放射されてもよい。
有利には、第1の流体の除去の第1の部分の間に、超音波放射の出力は、第1の流体中にキャビテーション気泡が形成されるようなものでもよく、およびそれから、第1の流体の除去の第2の部分の間に、超音波放射の出力は、第1の電子チップ上に機械的圧力を及ぼしながらキャビテーション気泡の生成を停止するように減少される。このように、第1の流体の除去の第1の部分の間に第1の流体にキャビテーション気泡が生成され、このようにして第1の電子チップ上に適切な機械的作用が確保される。第1の電子チップの振動はそれから、除去の第2の部分の間に、第1の電子チップが第1の流体の除去の終わりに最適な整列となるまで、低減される。
この場合、第1の流体の除去の第1の部分の間の超音波放射の出力は、約1W/cm以上であってもよく、および/または第1の流体の除去の第2の部分の間の超音波放射の出力は、約0.2W/cm以下の値まで低減されてもよい。
超音波は、第1の面とは反対の、第2の流体の膜を通して基板または第2の電子チップの第2の面に音響的に結合されたエミッタによって放射されてもよい。第2の流体は、第1の流体と同様の性質であってもよく、そうでなくてもよい。そのような構成は、第1の電子チップと基板との間、または第1の電子チップと第2の電子チップとの間に位置する第1の流体までの適切な超音波の伝送を保証する。用語「流体膜」は、ここでは、例えば約10μmから10cmの間の厚さを有する微細な流体層を示す。
有利には、第2の流体は水であってもよい。
第1の電子チップの面上および/または基板のおよび/または第2の電子チップの第1の面上に、第1及び第2の部分を作成するステップは、第1の部分を形成することを意図した第1の領域の周りの第1の電子チップの面および/または基板または第2の電子チップの第1の面をエッチングするステップを実施することを含んでもよく、第1の部分は第1の領域の上面によって形成され、第2の部分は少なくとも第1の領域の側面フランクによって形成される。このエッチングは、第1の電子チップの面および/または基板または第2の電子チップの第1の面の他の面に向かって段差または突出ゾーンを形成する。このように、第1の電子チップの面および/または基板または第2の電子チップの第1の面において、第1の部分と第2の部分との間の接触角の差は、少なくともこれらの段差または高さの差、第2の部分に対応する少なくとも側面フランクによって達成される。有利には、第1の部分を第2の部分の方へ区切るこれらの段差の隆起は、鋭角であり、すなわち、側面フランクとこれらの段差の上面との間に形成される角度は、約90°よりも低い凹角に対応している。
この場合、その方法は、エッチングステップの後に、第1の流体についての、第1領域の側面フランクの接触角の値および/または第1領域を取り囲む第2領域の接触角の値を修正する処理ステップをさらに含み得る。第1の流体が水であり、処理が疎水性処理に対応している場合、このようにして鋭い隆起および疎水性のエッチングフランク(第2の部分)によって親水性領域(第1の部分)を取り囲むことによって、親水性のゾーンが非常によく区分され、これは第1の流体がこの親水性のゾーン上で良好に位置することを可能にしている。第1の部分と第2の部分との間の隆起の存在は、両方の部分の間の接触角差に、例えば90°のさらなる角度を加える。
第1の流体を除去することは、有利には、第1の流体を蒸発させることを含み得る。
この方法のステップは、複数の第1の電子チップを基板に直接結合させるために、まとめて実施してもよい。このようにして、小さい接触角を有する複数の第1の部分は、基板の第1の面上に強い接触角を有する1つ以上の第2の部分によって区切られることができ、このようにして、第1の電子チップの基板への自己整列が、連続的にまたは有利には同時に達されることを可能にしている。
本発明は、添付の図面を参照して、開示として、および目的を限定することなく与えられた例示的な実施形態の説明を読むことにより、よりよく理解されるであろう。
特定の実施形態による、本発明の主題である直接結合の方法のステップを示している。 特定の実施形態による、本発明の主題である直接結合の方法のステップを示している。 特定の実施形態による、本発明の主題である直接結合の方法のステップを示している。 特定の実施形態による、本発明の主題である直接結合の方法のステップを示している。 特定の実施形態による、本発明の主題である直接結合の方法のステップを示している。
以下で説明する異なる図の同一の、類似のまたは同等の部分は、1つの図から他の図への切り替えを容易にするために、同じ参照符号が付されている。
図に示される別々の部分は、図をより読みやすくするために、必ずしも均一な尺度で描かれているわけではない。
異なる可能性(代替物および実施形態)は、互いに排他的ではないと理解されるべきであり、互いに組み合わせることができる。
電子チップ100を基板102へ直接結合するための方法の例示的な実施が、図1から図5に関連して説明される。
電子チップ100、ここではシリコンの電子チップは、約200mmに等しい直径およびP型ドーピングで約1から14 Ohm/cmの抵抗率を有し、結晶配向<001>を有するシリコンのウェハまたは基板を切断することによって得られる。チップの寸法は、ここでは(図1の面(X、Y)に平行な面において)約1mm×1mmに等しく、その厚さ(軸Zに沿った寸法)は約725μmに等しい。電子チップ100は、この電子チップ100上に例えば電子部品を形成する技術的マイクロエレクトロニクスの段階を既に受けているか、または受けていない半導体部分に対応している。そのような(図1から図5には示されていない)部品は、電子チップ100の後面103および/または前面104に存在することができる。
電子チップ100は、基板102に固定されることを意図した面に対応するその前面104に、基板102と接触することを意図した前面104の領域に対応する第1の部分105を含む。第1の部分105を取り囲む前面104の第2の部分106は、電子チップ100のエッチングされる部分に対応しており、電子チップ100の縁部に段差を形成する。第1の部分105は例えば、電子チップ100の例えばシリコンの突出部109上に配置された、シリコン酸化物層107の上面によって形成されている。第2の部分106は、突出部109のおよび層107の側面フランク、並びに第1の部分105の周りに位置している、同様にシリコンの、前面104の他の部分を含む。第1の部分105の接触角と第2の部分106の接触角との差は、約70°よりも大きい。
前面104の第2の部分106を形成するエッチングは、電子チップ100を切断する前に、例えばフォトリソグラフィおよびHFエッチングによって行われる。切断後、電子チップ100は、アンモニア溶液(1%のアンモニアを含む脱イオン水)でブラシ洗浄され、粒子汚染物を除去する。電子チップ100はそれから酸素プラズマ処理を受け、依然として存在する炭化水素汚染物を除去する。これらの化学的処理は、前面104の第1の部分105を親水性にすることを可能にする。フッ化水素酸溶液または水素プラズマの使用は、第1の部分105を親水性のままにしながら、前面104の第2の部分106において、このエッチングによって暴露される材料を疎水性にすることを可能にする。
あるいは、突出部109の周囲に位置する電子チップ100のエッチングされるゾーンは酸化シリコンで被覆することも可能である。この場合、第2の部分106は、突出部109の周りに存在する酸化シリコンによってではなく、突出部109の、および層107の側面フランクによってのみ形成される。
前面104では、強い接触角、例えば疎水性の接触角を有する第2の部分106によって囲まれた、小さな接触角(第1の部分105)、例えば親水性の接触角を有する表面(層107の上面)を有する段差が得られる。この構成は、第1の部分105に対応する表面と第2の部分106によって形成される表面との接触角の差を約90°まで増大させることができるので有利である。段差の上面と前面104の残りの部分との間に形成される角度は、90°異なることができ、特に90°よりも大きいかまたは90°よりも低くすることができる。
別の構成において、第1および第2の部分105、106は、前面104で同じ平面に位置しており、すなわち前面104は突出部を有さないことが可能である。第1および第2の部分105、106はそれから、1つ以上の第1の親水性部分105が1つ以上の第2の疎水性部分106によって取り囲まれるように、局所化された処理によって作られる。
基板102、ここではシリコン基板はまた、電子チップ100を基板102の前面108に直接結合するために準備される。このために、第2の部分111を形成する基板102の前面108の他の部分に対して、基板102の前面108の第1の部分110を分離するために、電子チップ100の前面104の第1の部分105が結合される前面108の第1の部分110の周りで、基板102の厚さの一部をフォトリソグラフィおよびエッチングすることによって、少なくとも1つのトレンチが作られる。図1において、第1の部分110の周りに位置する基板102の前面108の全体部分がエッチングされ、この前面108の第2の部分111を形成する。この第1の部分110は、基板102の主平面(平面(X、Y)に平行な平面)において、電子チップ100の前面104の第1の部分105のものと類似のパターンおよび寸法を有している。基板102の前面108の第1の部分110を親水性にし、第1の部分110の周りに位置する前面108の一部をエッチングし、基板102の前面108の第2の部分111を形成することにより暴露される基板102の表面の残りの部分を疎水性にするために、基板102は電子チップ100が受けたものと同じ化学的表面処理を受ける。
ここで説明する実施例において、第1の部分105および110の表面は、直接結合の実施と互換性のある粗さを有しており、すなわちRMSが約0.5nmの以下の粗さを有している。
次に、流体112の液滴、ここでは水が、電子チップ100を受け入れることを意図した基板102の前面108の第1の部分110の表面に置かれる(図2)。この堆積は、個々に一滴ずつ作ることができる。しかしながら、基板102の前面108がいくつかの第1の部分110を含む場合、液滴112の堆積は一括して行うことができ、例えば前面108上に噴霧または水拡散を実施し、次いで前面108上に存在する余分な水を除去することによって達成される。電子チップ100の前面104の第1部分105はそれから、液滴112上に置かれる(図3)。電子チップ100は、基板102と接触するその表面を最適化するようにおおまかに整列され、このようにして互いに固定されることを意図した第1の部分105および110の両面をほぼ整列させる。
次に、液滴112が蒸発し、部分105および110の表面が互いに固定されるように、除去段階が実施される。この除去の段階の間、超音波エミッタ114が、基板102の背面116に音響的に結合され、この背面116を介して、例えば約1MHz以上の周波数および約0.2W/cm以上の出力の超音波を放射する。エミッタ114と基板102の背面116との音響結合は、第2の流体の膜118、有利には水膜を介してなされる(図4参照)。そのような膜118を得るために、第2の流体がエミッタ114上に配置され、それから、基板102がエミッタ114上に配置される。膜118はそれから、エミッタ114と基板102の背面116との間に残る。
あるいは、基板102の背面116とエミッタ114との間に、第2の流体で満たされた、密封デバイス、例えば円筒形状の密封デバイスを提供することが可能であり、これは、基板102の背面116によって一面が、およびエミッタ114によって他面が密封される。
エミッタ114によって放射された音響波は、フィルム118、基板102、および液滴112を通過して電子チップ100に到達する。電子チップ100は、電子チップ100と基板102との間に位置する液滴112によって形成された媒体を介して、所望の結合界面に実質的に垂直な方向に沿った垂直の機械的バイアスを受ける。音響波の機械的作用は電子チップ100を移動させ、それにより、平衡位置または最適な整列位置の周りで振動し、これは互いに向き合う表面の最良の位置合わせを提供することに対応している(図5参照)。
超音波放射の出力が約1W/cm以上の場合、キャビテーション気泡が液滴112内に現れ、電子チップ100上の超音波機械的作用を増強する。有利には、液滴112の除去の間に、超音波は約1W/cm以上の顕著な出力で最初に送信される。液滴112の除去の間に、この出力は約0.2W/cm以下の値に達するまで徐々に減少される。超音波放射出力のこの漸進的な低減は、基板102の前面108の第1の部分110に対する電子チップ100の位置合わせが最適化されることを可能にしている。
超音波放射は、液滴112が完全に除去され、それにより電子チップ100が基板102に固定される前に、または電子チップ100の基板102への固定が完了した時点で、停止することができる。
前述した直接結合の方法は、電子チップ100を基板102ではなく第2の電子チップへの結合に応用することができる。この直接結合の方法は、複数の電子チップを基板102に同時に直接結合するために、まとめて実施することも可能である。
あるいは、液滴112の第1の流体および/または膜118の第2の流体は、極性または無極性である水以外の流体、例えばメタノール、アセトン、ジメチルスルホキシド、アセトニトリル、ピリジン、アンモニア、エタノール、ヘキサン、ペンタン、ベンゼン、トルエン、クロロホルムなどに置き換えることができる。
基板102および/またはチップ100は、シリコン以外の材料で作ることができる。加えて、層107の酸化シリコンの代わりに、この層は、シリコン以外の半導体酸化物、または例えば半導体窒化物、アルミナ、SiOC、HfO、金属(Ti、Cu、Niなど)または炭素によってさえも形成することができる。
液滴112が除去された後、直接結合によって固定された要素は、これらの要素間の接着力、およびそれ故結合エネルギーを高めることができる1つ以上の加熱処理を受けることができる。電子部品がこれらの要素の少なくとも1つに存在する場合、これらの加熱処理の温度は、約200℃から400℃とすることができる。そうでなければ、加熱処理の温度は約1100℃までの範囲とすることができる。
そのような直接結合の方法は、CMOS要素を含む電子チップをCMOS要素を含む基板へ結合させるような3次元マイクロエレクトロニクスの分野、並びに例えばレーザ要素を含むIII/V半導体ベースの電子チップをCMOS要素を含むシリコン基板へ結合させるようなオプトエレクトロニクスの分野にも有利に応用される。
100 電子チップ
102 基板
103 後面
104 前面
105 第1の部分
106 第2の部分
107 層
108 前面
109 突出部
110 第1の部分
111 第2の部分
112 流体
114 超音波エミッタ
116 背面
118 膜

Claims (9)

  1. 少なくとも1つの第1の電子チップ(100)を基板(102)または少なくとも1つの第2の電子チップに直接結合するための方法であって、
    − 前記第1の電子チップ(100)の面(104)および前記基板(102)または前記第2の電子チップの第1の面(108)の各々に、互いに対して70°より大きい第1の流体(112)についての接触角差を有する少なくとも1つの第1の部分および第2の部分(105,110,106,111)を作成するステップであって、前記第1の部分(105,110)は、前記第2の部分(106,111)よりも低い前記第1の流体(112)についての接触角を有しており、互いに対して実質的に類似の形状および寸法を有しており、および前記第1の電子チップ(100)の前記面(104)および前記基板(102)または前記第2の電子チップの前記第1の面(108)の各々において、前記第1の部分(105,110)は前記第2の部分(106,111)によって区切られている、作成するステップと、
    − 前記基板(102)または前記第2の電子チップの前記第1の面(108)の前記第1の部分(110)上に前記第1の流体(112)を置くステップと、
    − 前記第1の流体(112)上に前記第1の電子チップ(100)の前記面(104)の前記第1の部分(105)を置くステップと、
    − 前記第1の電子チップ(100)の前記面(104)の前記第1の部分(105)と、前記基板(102)または前記第2の電子チップの前記第1の面(108)の前記第1の部分(110)との固定が達成されるまで、前記第1の流体(112)を除去するステップと、を少なくとも含み、
    前記第1の流体(112)の除去の少なくとも一部の間に、前記基板(102)または前記第2の電子チップを介して前記第1の流体(112)に超音波を放射するステップをさらに含
    前記放射される超音波は、1MHz以上の周波数を有しており、
    前記第1の流体(112)の前記除去の第1の部分の間に、前記超音波放射の出力は、キャビテーション気泡が前記第1の流体(112)において形成されるように設定されており、およびそれから、前記第1の流体(112)の前記除去の第2の部分の間に、前記超音波放射の出力は、前記第1の電子チップ(100)に機械的圧力を及ぼしながらキャビテーション気泡を生成することを停止するために低減される、方法。
  2. 前記第1の流体(112)が水である、請求項1に記載の方法。
  3. 前記超音波が、0.1W/cmから5W/cmの出力で放射される、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記第1の流体(112)の前記除去の前記第1の部分の間の前記超音波放射の出力は、1W/cm以上であり、および/または前記第1の流体(112)の前記除去の前記第2の部分の間の前記超音波放射の出力は、0.2W/cm以下の値まで低減される、請求項に記載の方法。
  5. 前記超音波は、前記基板(102)または前記第2の電子チップの、前記第1の面(108)とは反対の、第2の面(116)に音響的に結合されたエミッタ(114)によって、第2の流体の膜(118)を介して放射される、請求項1からのいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記第2の流体(118)の前記膜が水膜である、請求項に記載の方法。
  7. 前記第1の電子チップ(100)の前記面(104)上に、および/または前記基板(102)または前記第2の電子チップの前記第1の面(108)上に、前記第1および第2の部分(105,106,110,111)を作成するステップは、前記第1の部分(105,110)を形成することを意図した第1の領域の周りで、前記第1の部分が前記第1の領域の上面によって形成され、および前記第2の部分が前記第1の領域の少なくとも側面フランクによって形成されるように、前記第1の電子チップ(100)の前記面(104)および/または前記基板(102)または前記第2の電子チップの前記第1の面(108)をエッチングするステップを実施することを含む、請求項1からのいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記エッチングステップの後に、第1の流体についての、前記第1の領域の前記側面フランクの接触角の値および/または前記第1の領域を取り囲む第2の領域の接触角を変更する処理ステップをさらに含む、請求項に記載の方法。
  9. 前記方法のステップは、複数の第1の電子チップ(100)を前記基板(102)に直接結合するためにまとめて実施される、請求項1からのいずれか一項に記載の方法。
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