RU2033657C1

RU2033657C1 - Device for low-temperature direct connection of semiconductor plates

Info

Publication number: RU2033657C1
Authority: RU
Inventors: К.Л. Енишерлова-Вельяшева; В.В. Бачурин; Х.И. Фейгин; М.А. Ушаков
Original assignee: Научно-исследовательский институт "Пульсар"
Priority date: 1992-02-14
Filing date: 1992-02-14
Publication date: 1995-04-20

Abstract

FIELD: semiconductor engineering. SUBSTANCE: device for low- temperature direct connection of semiconductor plates has base, centrifuge with rotary table for plate fastening unit, cover for creating enclosed space above plates being connected, plate heating unit; plate fastening unit has plate holder and plates separating retainer; plate fastening unit has in addition snap ring with slots, and plate holder is provided with cylindrical helical torsional springs mounted for loading snap ring in respect to holder; the latter and snap ring are joined by means of magnetically-soft metal pin made for engagement of magnets on device cover; plates separating retainers are placed in holder slots and loaded with cylindrical helical compressing springs in respect to snap ring. Device base and centrifuge rotary table carry set of magnets equally spaced from axis of revolution of centrifuge; cover providing enclosed space above plates has magnets spring-loaded in vertical direction; cover magnets are mounted for their coaxial arrangement relative to magnetically-soft metal pin with device cover closed and in case of reversal of centrifuge magnets polarity to device base magnets. Heating unit is essentially nozzle with filter installed on device base and joined with system feeding compressed air or nitrogen from supply mains and has heating element built for heating air or nitrogen jet. EFFECT: improved design. 2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано в новом технологическом процессе: формировании полупроводниковых структур, например структур n n⁺- и p p⁺-типа, р n-переходов, структур "кремний на окисле" и арсенидогаллиевых слоев на кремнии путем прямого соединения полупроводниковых пластин друг с другом.The invention relates to semiconductor technology and can be used in a new technological process: the formation of semiconductor structures, for example, nn ⁺ and pp ⁺ -type structures, p n junctions, silicon-oxide structures and gallium arsenide layers on silicon by direct connection of semiconductor wafers together.

Начиная с 1985-1986 г. появился ряд сообщений, в основном специалистов ведущих фирм Японии, о новом технологическом процессе: прямом соединении полупроводниковых пластин как альтернативе таких технологических операций, как эпитаксия толстых слоев, формирование полупроводниковых структур на диэлектрике, глубокая диффузия, названном в англоязычной литературе для кремния SDB-методом (Silicon direct bonding (M. Shimbo, K.Furukawa K Fukuda and K. Tanzawa, J.Appl. Physics, 1987, v. 60, p. 2987). Такое соединение, как правило, проводится в два приема: на первом этапе производят соединение пластин полированными поверхностями при комнатной температуре или при небольшом нагреве, в результате чего достигается полуадгезионное соединение поверхностей, и на втором этапе производят нагрев соединенных пластин до 900.1200^оС, в результате чего получают прочное соединение.From 1985-1986, a number of reports appeared, mainly by specialists from leading Japanese companies, about a new technological process: the direct connection of semiconductor wafers as an alternative to such technological operations as thick-layer epitaxy, the formation of semiconductor structures on a dielectric, and deep diffusion, called in English silicon literature by the SDB method (Silicon direct bonding (M. Shimbo, K. Furukawa K Fukuda and K. Tanzawa, J. Appl. Physics, 1987, v. 60, p. 2987). Such a compound is usually carried out in two methods: at the first stage, the plates are connected polished surfaces at room temperature or under slight heating, thereby achieving poluadgezionnoe connection surfaces, and the second stage produces heating plates connected to 900.1200 ^C., resulting in a strong bond.

Вначале низкотемпературное соединение пластин проводилось вручную наложением одной пластины на другую. Помимо низкой производительности такого ручного процесса необходимо было проводить соединение в помещениях высокого класса чистоты для исключения попадания между соединяемыми поверхностями загрязняющих частиц, которые на последующем этапе высокотемпературного соединения пластин начинали работать как индентор и приводили к возникновению в рабочих областях пластин структурных дефектов. (Коэн Ч. Термокомпрессия пластин, улучшающая характеристики мощных полупроводниковых приборов. Electronics, 1985, 26, т. 58, с. 115-117). Initially, the low-temperature connection of the plates was carried out manually by applying one plate to another. In addition to the low productivity of such a manual process, it was necessary to carry out the connection in the premises of a high class of cleanliness to prevent the ingress of contaminants between the surfaces to be connected, which at the next stage of the high-temperature connection of the plates began to work as an indenter and caused structural defects in the working areas of the plates. (Cohen C. Thermocompression of wafers improving the performance of powerful semiconductor devices. Electronics, 1985, 26, v. 58, pp. 115-117).

Известно устройство для прямого соединения кремниевых окисленных пластин, включающее основание для размещения двух угольных электродов, между которыми помещаются соединяемые пластины, а также узел подачи электрического напряжения к этим электродам с обеспечением прикладываемого напряжения к пластинам от 20 В до 1 кВ (Frye R.C. Griffith J.E. Wong Y.H. A. field assisted bonding process for silicon dielectric i solation. J. Electrochem. Society, 1986, 133, N 8, p. 1673-1677). A device for the direct connection of silicon oxidized wafers is known, including a base for placing two carbon electrodes between which the connected wafers are placed, as well as an electrical voltage supply unit for these electrodes, providing applied voltage to the wafers from 20 V to 1 kV (Frye RC Griffith JE Wong YHA field assisted bonding process for silicon dielectric i solation. J. Electrochem. Society, 1986, 133, No. 8, p. 1673-1677).

Данное устройство имеет прежде всего узкое назначение, так как в нем соединяются качественно только окисленные пластины кремния или стеклянные пластины с полупроводниковыми пластинами. К недостаткам также относится низкая производительность процесса, конструкция устройства такова, что в нем размещается только одна пара пластин, к которым подается напряжение для соединения. Кроме того, чтобы получить качественное соединение кремниевых окисленных пластин, необходимо в данном случае объединить два этапа процесса прямого соединия пластин: проводить процесс соединения под напряжением и одновременно нагревать пластины до высокой температуры (≈1150^оС, азот), что трудно технически реализовать.This device has primarily a narrow purpose, since it only qualitatively combines oxidized silicon wafers or glass wafers with semiconductor wafers. The disadvantages also include the low productivity of the process, the design of the device is such that only one pair of plates is placed in it, to which voltage is supplied for the connection. In addition, in order to obtain a high-quality bonding of silicon oxidized wafers, it is necessary in this case to combine two stages of the direct wafer bonding process: carry out the energized bonding process and simultaneously heat the wafers to a high temperature (≈1150 ^о С, nitrogen), which is technically difficult to implement.

Наиболее близким к изобретению конструктивным решением (прототипом) является устройство для низкотемпературного прямого соединения полупроводниковых пластин, включающее основание, центрифугу с каруселью для размещения узла крепления пластин, крышку для создания замкнутого пространства над соединяемыми пластинами, узел нагрева пластин, причем узел крепления пластин содержит держатель из тефлона для размещения нижней пластины и три фиксатора из тефлона, отделяющие нижнюю пластину от верхней. Процесс соединения на этом устройстве производится следующим образом: размещаются две пластины, щель между ними промывается струей отфильтрованной деионизованной воды, затем пластины закрываются крышкой, центрифугируются для удаления воды и высушивания пластин с одновременным их нагревом до 45.50^оС, затем разделяющие фиксаторы удаляются без открывания крышки и верхняя пластина падает на нижнюю (Stengl R. Ahn K.-Y. and go sele. Bubble-free silicon wafer bonding ma noncleanroom enrironment. Japanese J. of applied Physics, 1988, 27, N 12, pp. 2364-2366).Closest to the invention, the structural solution (prototype) is a device for low-temperature direct connection of semiconductor wafers, including a base, a centrifuge with a carousel to accommodate the plate mounting unit, a cover to create an enclosed space above the plate to be connected, the plate heating unit, the plate mounting unit comprises a holder of Teflon to accommodate the bottom plate and three Teflon retainers separating the bottom plate from the top. The connection process on this device is as follows: two plates are placed, the gap between them is washed with a stream of filtered deionized water, then the plates are closed with a lid, centrifuged to remove water and dried plates while heating up to 45.50 ^о С, then the separating clips are removed without opening the cover and the upper plate falls onto the lower (Stengl R. Ahn K.-Y. and go sele. Bubble-free silicon wafer bonding ma noncleanroom enrironment. Japanese J. of applied Physics, 1988, 27, No. 12, pp. 2364-2366) .

Преимуществом данной конструкции является то, что она позволяет значительно улучшить качество получаемого соединения: избавиться от пузырей, которые часто могут образовываться на границе раздела при прямом соединении пластин из-за попадания на соединяемые поверхности загрязняющих частиц. Кроме того, такая конструкция позволяет проводить процесс соединения в обычных условиях, не требуя использования помещения первого класса. Это объясняется тем, что в данной конструкции соединяемые пластины помещаются очень близко друг к другу (щель между ними ≈1 мм), промываются струей воды, а наличие крышки, создающей над ними ограниченное пространство, своеобразную миникамеру, которая после промывки и центрифугирования не открывается, позволяет уменьшить процесс попадания загрязняющих частиц между пластинами при проведении процессе соединения даже в обычном помещении. The advantage of this design is that it can significantly improve the quality of the resulting compound: get rid of bubbles, which can often form at the interface when the plates are connected directly due to contaminants entering the surfaces to be connected. In addition, this design allows the connection process to be carried out under normal conditions, without requiring the use of a first-class room. This is due to the fact that in this design the connected plates are placed very close to each other (the gap between them is ≈1 mm), washed with a stream of water, and the presence of a cover that creates a limited space above them, a kind of mini-camera that does not open after washing and centrifugation, allows to reduce the process of contaminants entering between the plates during the connection process, even in a normal room.

Однако этой конструкции присущ ряд недостатков и один из них низкая производительность процесса. Данная конструкция предусматривает закладку одной пары пластин, при этой конструкции процесс соединения невозможно автоматизировать. Таким образом, данная конструкция является чисто лабораторным вариантом с крайне низкой производительностью и автоматизация данной конструкции не представляется возможной. However, this design has a number of disadvantages, and one of them is low process productivity. This design provides for the laying of one pair of plates, with this design, the connection process cannot be automated. Thus, this design is a purely laboratory version with extremely low productivity and automation of this design is not possible.

Целью изобретения является повышение производительности процесса соединения за счет одновременного соединения многих пар пластин и обеспечение возможности автоматизации процесса соединения, т.е. создание такой конструкции, которую можно было бы использовать в заводских условиях при обеспечении высокой производительности процесса. Целью изобретения также является упрощение конструкции и обеспечение равномерности нагрева полупроводниковых пластин в процессе соединения. The aim of the invention is to increase the productivity of the connection process due to the simultaneous connection of many pairs of plates and providing the possibility of automation of the connection process, i.e. the creation of such a design that could be used in the factory while ensuring high productivity of the process. The aim of the invention is also to simplify the design and ensure uniform heating of the semiconductor wafers during the connection process.

Цель достигается тем, что в устройстве для низкотемпературного прямого соединения полупроводниковых пластин, включающем основание, центрифугу с каруселью для размещения узлов крепления пластин, крышку для создания замкнутого пространства над соединяемыми пластинами, узел нагрева пластин, причем узел крепления пластин содержит держатель для размещения и фиксаторы для разделения полупроводниковых пластин, узел крепления пластин дополнительно снабжен разрезным кольцом с пазами, а держатель узла крепления пластин снабжен цилиндрическими винтовыми пружинами кручения, расположенными с возможностью подпружинивания разрезного кольца относительно держателя, при этом держатель и разрезное кольцо соединены друг с другом штифтом из магнитомягкого металла, выполненным с возможностью взаимодействия с магнитами на крышке устройства, а фиксаторы для разделения пластин размещены в пазах держателя и подпружинены цилиндрическими винтовыми пружинами сжатия относительно разрезного кольца, на основании устройства и на карусели центрифуги расположена система магнитов на одном расстоянии от оси вращения центрифуги, при этом крышка для создания замкнутого пространства над пластинами снабжена подпружиненными в вертикальном направлении магнитами, причем магниты крышки размещены с возможностью обеспечения соосного их расположения со штифтами из магнитомягкого металла при закрытой крышке устройства и при примагничивании магнитов карусели центрифуги к магнитам основания устройства. The goal is achieved in that in a device for low-temperature direct connection of semiconductor wafers, including a base, a centrifuge with a carousel to accommodate the attachment plates, a cover for creating an enclosed space above the connected plates, the heating unit of the plates, and the attachment plate contains a holder for placement and clamps for the separation of the semiconductor wafers, the mounting plate is additionally provided with a split ring with grooves, and the holder of the mounting plate is provided with a cylindrical they are torsion coil springs located with the possibility of springing the split ring relative to the holder, while the holder and the split ring are connected to each other by a soft magnetic metal pin configured to interact with magnets on the device cover, and the tabs for separating the plates are placed in the grooves of the holder and spring-loaded coil compression springs relative to the split ring, on the base of the device and on the centrifuge carousel is a system of magnets on one distance from the axis of rotation of the centrifuge, while the lid for creating an enclosed space above the plates is equipped with magnets spring-loaded in the vertical direction, and the lid magnets are placed with the possibility of coaxial arrangement with pins of magnetically soft metal with the lid of the device closed and when magnetizing the centrifuge carousel magnets to the base magnets devices.

Кроме того, отличием является также то, что узел нагрева пластин выполнен в виде сопла с фильтром, размещенным на основании устройства и соединенным с системой подачи сжатого воздуха или азота от сети, и нагревательного элемента, выполненного с возможностью подогрева струи воздуха или азота. In addition, the difference is also that the plate heating unit is made in the form of a nozzle with a filter placed on the base of the device and connected to a compressed air or nitrogen supply system from the network, and a heating element configured to heat a stream of air or nitrogen.

В предлагаемой конструкции прежде всего предусмотрены закрепление на карусели центрифуги целого ряда узлов крепления пластин и возможность обеспечения одновременного соединения всех пар образцов, размещенных в узлах крепления пластин, при плотно закрытой крышке, что принципиально невозможно в прототипе. Это достигается, во-первых, за счет предлагаемой конструкции узла крепления пластин и, во-вторых, за счет предлагаемых конструкций центрифуги и крышки устройства с размещенными на них системами магнитов. In the proposed design, first of all, the centrifuge can be fastened to a whole series of plate attachment points and the possibility of ensuring simultaneous connection of all pairs of samples placed in the plate attachment points with a tightly closed lid, which is fundamentally impossible in the prototype. This is achieved, firstly, due to the proposed design of the plate mounting unit and, secondly, due to the proposed designs of the centrifuge and the lid of the device with magnet systems placed on them.

В узел крепления пластин введено разрезное кольцо с пазами, соединенное с держателем, на котором размещается одна из соединяемых пластин (нижняя), штифтом из магнитомягкого металла. В пазах держателя располагается система цилиндрических винтовых пружин кручения, причем когда держатель соединен штифтом с разрезным кольцом пружины кручения подпружинивают разрезное кольцо относительно держателя так, что пазы разрезного кольца смещены относительно фиксаторов, которые отделяют верхнюю пластину от нижней. Фиксаторы в предлагаемой конструкции, в свою очередь, расположены также в пазах держателя и подпружинены цилиндрическими винтовыми пружинами сжатия к разрезному кольцу. При выдергивании штифта из магнитомягкого металла разрезное кольцо под воздействием пружин кручения разворачивается относительно держателя таким образом, что расположение пазов в разрезном кольце совпадает с расположением фиксаторов, тогда фиксаторы под действием винтовых пружин сжатия выдавливаются в пазы разрезного кольца, освобождая верхнюю пластину, и она под действием собственной тяжести ложится на нижнюю пластину. A split ring with grooves is introduced into the plate attachment unit, connected to the holder, on which one of the connected plates (lower) is placed, with a pin made of soft magnetic metal. A system of cylindrical torsion coil springs is located in the grooves of the holder, and when the holder is connected by a pin to the split ring of the torsion spring, the split ring is spring-loaded relative to the holder so that the grooves of the split ring are offset relative to the latches that separate the upper plate from the bottom. The latches in the proposed design, in turn, are also located in the grooves of the holder and are spring-loaded with coil compression springs to the split ring. When pulling the pin out of soft magnetic metal under the influence of torsion springs, the split ring is deployed relative to the holder so that the grooves in the split ring coincide with the location of the clamps, then the clamps are pressed into the grooves of the split ring by the action of compression screw springs, releasing the upper plate, and it is under the action own gravity lies on the bottom plate.

Таким образом, заявляемая конструкция узла крепления пластин обеспечивает при выдергивании штифта из магнитомягкого металла раздвижение фиксаторов и наложение верхней пластины на нижнюю, а использование набора узлов крепления пластин, закрепленных на карусели центрифуги, позволяет при одновременном выдергивании штифтов из магнитомягкого металла во всех узлах креплепния пластин производить одновременное соединение большего количества пар пластин, причем процесс раздвижения фиксаторов и соединения всех пластин происходит практически мгновенно. Заявляемая конструкция позволяет также легко осуществить автоматизацию процесса соединения при условии, что в конструкции обеспечено одновременное удаление всех штифтов, соединяющих держатели и разрезные кольца в узлах крепления пластин. Таким образом, предлагаемая конструкция узла крепления пластин (введение дополнительного разрезного кольца, соединенного с держателем штифтом из магнитомягкого металла, размещение фиксаторов в пазах держателя с подпружиниванием их относительно разрезного кольца и подпружинивание разрезного кольца пружинами кручения относительно держателя) позволяет резко повысить производительность процесса соединения пластин и обеспечивает возможность автоматизации процесса соединения. Однако все это возможно при условии одновременного удаления всех штифтов из магнитомягкого металла во всех узлах крепления пластин. Thus, the claimed design of the plate attachment unit ensures that when pulling the pin from the soft magnetic metal, the tabs are pulled apart and the upper plate is superimposed on the lower one, and the use of the set of plate attachment points fixed to the centrifuge carousel allows for simultaneous pulling of the soft magnetic pin in all nodes of the plate fasteners the simultaneous connection of a larger number of pairs of plates, and the process of separation of the clamps and the connection of all plates is practical ski instantly. The inventive design also makes it easy to automate the joining process, provided that the design ensures the simultaneous removal of all the pins connecting the holders and split rings in the attachment points of the plates. Thus, the proposed design of the plate attachment unit (the introduction of an additional split ring connected to the holder by a pin made of soft magnetic metal, the placement of latches in the grooves of the holder with springing relative to the split ring and springing of the split ring by torsion springs relative to the holder) can dramatically increase the productivity of the process of connecting the plates and provides the ability to automate the connection process. However, all this is possible provided that all the pins are removed from the soft magnetic metal at all the attachment points of the plates.

Одновременное удаление штифтов из магнитомягкого металла во всех узлах крепления пластин, размещенных на карусели центрифуги, без открывания крышки устройства в заявляемой конструкции достигается с помощью использования двух систем плоских магнитов. Одна система магнитов расположена на основании устройства и на карусели центрифуги, причем все магниты этой системы расположены на одном расстоянии от оси вращения центрифуги и подпружинены специальным кольцом в вертикальном направлении к крышке устройства. Другая система магнитов расположена на крышке устройства. Особенностью плоских магнитов, как известно, является то, что усилие примагничивания на отрыв значительно превышает усилие сдвига двух примагниченных друг к другу магнитов. Поэтому эта система магнитов, причем каждая пара магнитов размещена с зазором в 1,5.2 мм между ними, не припятствует вращению центрифуги при высушивании образцов, но в момент отключения электродвигателя центрифуги магниты на основании устройства и на карусели центрифуги примагничиваются друг к другу, обеспечивая строго фиксированное положение карусели с закрепленными на ней узлами крепления пластин: в момент остановки центрифуги все узлы крепления пластин располагаются таким образом, чтобы штифты из магнитомягкого металла каждого узла располагались соосно с магнитами, размещенными на крышке устройства, причем такая соосность обеспечивается только при закрытой крышке устройства. Выполнение второй системы магнитов подпружиненной в вертикальном направлении позволяет легким нажатием специального кольца крышки подводить плоские магниты крышки к штифтам из магнитомягкого металла, соединяющим держатель и разрезное кольцо узлов крепления пластин. При приближении магнитов крышки штифты, примагничиваясь, одновременно выдергиваются из отверстий, освобождая разрезное кольцо относительно держателя узлов крепления пластин. Под действием пружин кручения узла крепления пластин разрезное кольцо поворачивается, освобождая фиксаторы, которые раздвигаются, и верхние пластины падают на нижние, причем все операции: строго фиксированная остановка карусели центрифуги, нажатие на специальное кольцо крышки устройства, выдергивание магнитами второй системы штифтов из магнитомягкого металла и, наконец, соединение пластин могут занимать несколько секунд. Изготовление штифтов из магнитомягкого металла позволяет избавиться от явления остаточного магнитизма. The simultaneous removal of pins from soft magnetic metal in all attachment points of the plates placed on the centrifuge carousel without opening the device cover in the claimed design is achieved by using two flat magnet systems. One magnet system is located on the base of the device and on the centrifuge carousel, all magnets of this system are located at the same distance from the axis of rotation of the centrifuge and spring loaded with a special ring in the vertical direction to the cover of the device. Another magnet system is located on the cover of the device. A feature of plane magnets, as is known, is that the pull-off magnetization force significantly exceeds the shear force of two magnets magnetized to each other. Therefore, this magnet system, with each pair of magnets placed with a gap of 1.5.2 mm between them, does not prevent the centrifuge from rotating when the samples are dried, but when the centrifuge motor is turned off, the magnets on the base of the device and on the centrifuge carousel are magnetized to each other, providing a strictly fixed the position of the carousel with the attachment points of the plates fixed to it: at the moment the centrifuge stops, all the attachment points of the plates are located so that the pins of the soft magnetic metal of each node located coaxially with the magnets placed on the cover of the device, and this alignment is only achieved when the cover of the device is closed. The implementation of the second system of magnets spring-loaded in the vertical direction allows you to easily push the special cover ring to bring the flat magnets of the cover to the pins of magnetically soft metal connecting the holder and the split ring of the plate attachment points. When approaching the magnets of the lid, the pins, being magnetized, are simultaneously pulled out of the holes, releasing the split ring relative to the holder of the plate attachment points. Under the action of torsion springs of the plate attachment unit, the split ring rotates, releasing the latches that slide apart, and the upper plates fall onto the lower ones, all the operations being carried out: a fixed stop of the centrifuge carousel, pressing on the special ring of the device cover, pulling out the second system of pins made of magnetically soft metal and magnets Finally, connecting the plates may take several seconds. The manufacture of pins made of soft magnetic metal allows you to get rid of the phenomenon of residual magnetism.

Таким образом, заявляемая конструкция с двумя системами магнитов, обеспечивая при закрытой крышке устройства одновременное выдергивание штифтов из магнитомягкого металла во всех узлах крепления пластин, размещенных на карусели центрифуги, что обеспечивает, в свою очередь, одновременное соединение всех пар пластин, позволяет резко повысить производительность процесса соединения пластин и легко автоматизировать процесс. Thus, the claimed design with two systems of magnets, providing with the cover of the device at the same time pulling pins of magnetically soft metal in all attachment points of the plates placed on the centrifuge carousel, which ensures, in turn, the simultaneous connection of all pairs of plates, can dramatically increase the performance of the process connection plates and easy to automate the process.

Для нагрева соединяемых пластин в заявляемой конструкции используется система подачи в замкнутое пространство под крышкой устройства струи подогретого сжатого воздуха или азота от сети. Это достигается за счет ввода в устройство сопла, закрепленного на основании устройства и соединенного с системой подачи сжатого воздуха или азота от сети, и нагревательного элемента для подогрева струи. Такое решение позволяет избавиться от инфракрасных ламп, как в прототипе, и тем самым упростить конструкцию устройства. Кроме того, использование подогретой струи воздуха или азота должно обеспечивать очень равномерный нагрев всех соединяемых пластин. To heat the connected plates in the claimed design, a feeding system is used in a closed space under the cover of the device for a jet of heated compressed air or nitrogen from the network. This is achieved by introducing into the device a nozzle mounted on the base of the device and connected to the compressed air or nitrogen supply system from the network, and a heating element for heating the jet. This solution allows you to get rid of infrared lamps, as in the prototype, and thereby simplify the design of the device. In addition, the use of a heated stream of air or nitrogen should provide a very uniform heating of all connected plates.

Таким образом, указанная совокупность признаков заявляемой конструкции решает поставленные задачи, обеспечивая повышение производительности процесса соединения, возможность автоматизации процесса соединения пластин, а также позволяет упростить конструкцию устройства и обеспечивает равномерность нагрева соединяемых пластин. Кроме того, предлагаемая конструкция устройства облегчает работу оператора и за счет изготовления основных деталей устройства из фторопласта, позволяет исключить запачкивание пластин ионами металлов в процессе соединения. Thus, the specified set of features of the claimed design solves the tasks, providing increased productivity of the joining process, the ability to automate the process of connecting the plates, and also allows to simplify the design of the device and ensures uniform heating of the connected plates. In addition, the proposed design of the device facilitates the work of the operator and, due to the manufacture of the main parts of the device from fluoroplastic, allows to exclude the contamination of the plates with metal ions during the connection.

Изобретение существенно, так как оно обеспечивает значительный технический эффект, заключающийся в резком (в 10 раз и более) повышении производительности процесса, в возможности автоматизации процесса соединения по сравнению с прототипом, а также в улучшении качества соединения. Аналогичные технические решения не обнаружены, что свидетельствует о существенности изобретения. The invention is significant, as it provides a significant technical effect, consisting in a sharp (10 times or more) increase in the productivity of the process, in the possibility of automating the connection process compared to the prototype, as well as in improving the quality of the connection. No similar technical solutions were found, which indicates the materiality of the invention.

На фиг. 1 схематично изображено устройство; на фиг.2 и 3 показан узел крепления пластин. In FIG. 1 schematically shows a device; figure 2 and 3 shows the mounting unit of the plates.

П р и м е р 1. Устройство включает основание 1, на котором закреплена карусель 2 центрифуги, приводимая во вращение электродвигателем 3 постоянного тока ПЛ-062 с регулируемым числом оборотов 1000-3000-1500 об/мин. На карусели центрифуги монтируются легкосъемные двенадцать узлов крепления пластин 4. На обратной стороне карусели размещены четыре плоских магнита 5. Вторая часть 6 этих магнитов размещена на основании устройства на том же расстоянии от оси вращения центрифуги, что и магниты 5, причем зазор между верхними магнитами 5 на карусели центрифуги и нижними магнитами 6 на основании устройства составляет 2 мм. Устройство включает также крышку 7, которая может откидываться на угол свыше 90^о относительно основания 1. Через двенадцать отверстий в крышке проходят двенадцать осей 8, верхние концы которых жестко закреплены в специальном кольце 9, а на нижних концах размещены под крышкой двенадцать плоских магнитов 10. Винтовые пружины 11 сжатия на осях 8 подпружинивают специальное кольцо 9 относительно крышки 7. Кроме того, на крышке закреплен нагружающий диск 12, на котором висят двенадцать грузов 13, 14, причем часть грузов 14, расположенных над крышкой, сменная. Нагружение опускание нагружающего диска 12 производится с помощью винтовой пары 15. На основании устройства закреплено сопло 16, соединенное с магистралью сжатого воздуха, причем поступающий воздух фильтруется и нагревается нагревательным элементом 17.PRI me R 1. The device includes a base 1, on which is mounted a carousel 2 of a centrifuge, driven into rotation by a direct current electric motor 3 of the PL-062 with an adjustable speed of 1000-3000-1500 rpm Easily removable twelve attachment points for plates 4 are mounted on the centrifuge carousel. Four flat magnets 5 are placed on the back of the carousel. The second part 6 of these magnets is placed on the device’s base at the same distance from the centrifuge’s axis of rotation as the magnets 5, and the gap between the upper magnets 5 on the centrifuge carousel and lower magnets 6 on the base of the device is 2 mm. The device also includes a cover 7, which can be tilted at an angle of more than 90 ^{about the} base 1. Twelve axles 8 pass through twelve holes in the cover, the upper ends of which are rigidly fixed in a special ring 9, and twelve flat magnets 10 are located under the cover under the cover. Compression coil springs 11 on the axles 8 spring a special ring 9 relative to the cover 7. In addition, a loading disk 12 is mounted on the cover, on which twelve weights 13, 14 hang, and some of the weights 14 located above the cover are interchangeable and I. Loading lowering the loading disk 12 is carried out using a screw pair 15. On the basis of the device is fixed nozzle 16 connected to the compressed air line, and the incoming air is filtered and heated by the heating element 17.

В каждом из двенадцати узлов крепления пластин 4 помещается держатель 18, в пазах которого размещены две винтовые пружины 19 сжатия. В других пазах держателя размещены четыре фиксатора 20. На держатель надевается разрезное кольцо 21 с тремя пазами, ширина которых, а также ширина прорези разрезного кольца на 4-6 мм больше ширины фиксаторов, а глубина пазов должна быть на 1,5-2 мм больше ширины выступов фиксаторов, куда закладывается пластина. Держатели соединяются с разрезными кольцами штифтами 22 из магнитомягкого металла. Фиксаторы подпружинены четырьмя винтовыми пружинами 23 сжатия к разрезному кольцу 21. Держатель и фиксаторы в узле крепления пластин, крышка устройства выполнены из фторопласта. Устройство работает следующим образом. При откинутой крышке устройства снимают с карусели центрифуги все двенадцать узлов крепления пластин и загружают в них пластины. Для этого узлы крепления пластин размещаются в строго фиксированном состоянии на специальном загружающем устройстве. При вынутых штифтах из магнитомягкого металла, когда фиксаторы под действием винтовых пружин сжатия входят в пазы разрезного кольца, через прорезь разрезного кольца удаляется один из фиксторов в узле крепления пластин. Остальные три фиксатора с помощью толкателей специального загружающего устройства возвращаются в рабочее положение. Затем в каждом узле устанавливаются две соединяемые пластины так, чтобы одна легла на держатель, а другая в пазы трех фиксаторов полированными сторонами навстречу друг другу и при совпадении положения базовых срезов пластин. В данном примере устанавливались кремниевые пластины ⌀ 76 мм, толщиной 380 мкм, причем одна из них была из кремния марки КЭФ50, другая ЭКЭС 0,01 с кристаллографической ориентацией рабочих поверхностей (100), щель между поверхностями соединяемых пластин в узлах крепления пластин составляла 0,6.0,8 мм. Затем через прорезь разрезного кольца устанавливается четвертый фиксатор и поворачивается относительно держателя разрезное кольцо таким образом, чтобы можно было ввести штифт из магнитомягкого металла, соединяющий держатель и разрезное кольцо. In each of the twelve attachment points of the plates 4, a holder 18 is placed, in the grooves of which are placed two compression coil springs 19. In the other grooves of the holder there are four latches 20. A split ring 21 with three grooves is put on the holder, the width of which, as well as the width of the slot of the split ring is 4-6 mm more than the width of the latches, and the depth of the grooves should be 1.5-2 mm more the width of the tabs of the retainers, where the plate is laid. The holders are connected to the split rings with pins 22 of soft magnetic metal. The latches are spring-loaded with four compression coil springs 23 to the split ring 21. The holder and latches in the plate mounting unit, the device cover is made of fluoroplastic. The device operates as follows. When the cover of the device is folded down, all twelve plate attachment points are removed from the centrifuge carousel and the plates are loaded into them. For this, the attachment points of the plates are placed in a strictly fixed state on a special loading device. When the pins are made of soft magnetic metal, when the latches, under the action of screw compression springs, enter the grooves of the split ring, one of the fixtures in the plate mounting unit is removed through the slot of the split ring. The remaining three latches using the pushers of a special loading device are returned to their working position. Then, in each node two connected plates are installed so that one rests on the holder, and the other in the grooves of the three retainers with polished sides facing each other and when the position of the base sections of the plates coincides. In this example, silicon wafers ⌀ 76 mm, a thickness of 380 μm were installed, one of which was made of silicon grade KEF50, the other was ECE 0.01 with a crystallographic orientation of the working surfaces (100), the gap between the surfaces of the connected plates in the attachment points of the plates was 0, 6.0.8 mm. Then, through the slot of the split ring, a fourth retainer is installed and the split ring is rotated relative to the holder so that a soft magnetic pin connecting the holder and the split ring can be inserted.

После установки пластин во все узлы крепления пластин узлы в строго фиксированном положении за счет специального паза устанавливаются на карусели центрифуги. После промывки щели между пластинами деионизованной водой с помощью водяного пистолета закрывается крышка установки и включается электродвигатель, приводящий в движение карусель центрифуги. В течение 3.5 мин при числе вращения карусели центрифуги ≈ 1400 об/мин путем центрифугирования пластины высушиваются. Электродвигатель отключается и благодаря системе магнитов, размещенных на основании установки и карусели центрифуги, узлы крепления пластин останавливаются в строго фиксированных положениях таким образом, что магниты, закрепленные на крышке устройства, оказываются соосны со штифтами из магнитомягкого металла в узлах крепления пластин. Легким нажатием на специальное кольцо, подпружинивающее магниты к крышке, все магниты второй системы подводятся к штифтам из магнитомягкого металла таким образом, чтобы штифты примагничивались, затем специальное кольцо с магнитами отпускается и магниты крышки выдергивают штифты из держателей узлов крепления пластин. Удаление штифтов из магнитомягкого металла приводит к раздвижению фиксаторов во всех узлах крепления пластин и наложению верхних пластин на нижние. Затем поворотом винта нагрузочного устройства опускаются грузы на пластины, причем нагружение проводится таким образом, чтобы сжимающее усилие на каждую пару пластин составляло ≈ 120 г/см², и подается через сопло отфильтрованный нагретый сжатый воздух от магистрали таким образом, чтобы температура струи воздуха на входе в замкнутое пространство под крышкой устройства составляла 70.75^оС, а расход подаваемого теплого воздуха должен составлять 3.5 л/мин (экспериментально было установлено, что при этих режимах соединяемые кремниевые пластины нагреваются до Т=45.50^оС в течение 2.3 мин). Под нагрузкой и при нагреве струей теплого воздуха пластины выдерживаются в течение 15 мин. Затем отключается подача теплого воздуха, поднимается крышка устройства и вынимаются узлы крепления пластин. Узлы крепления пластин устанавливаются в загружающее устройство, извлекается фиксатор, находящийся в отверстии разрезного кольца, и снимаются соединенные пары пластин. Затем весь цикл установки и соединения пластин повторяется.After installing the plates in all the nodes of the mounting plates, the nodes in a strictly fixed position due to a special groove are installed on the centrifuge carousel. After washing the gap between the plates with deionized water using a water gun, the unit cover is closed and the electric motor is turned on, which drives the centrifuge carousel. Within 3.5 minutes, when the spin speed of the centrifuge is ≈ 1400 rpm, the plates are dried by centrifugation. The electric motor is switched off and, thanks to the system of magnets placed on the basis of the centrifuge’s installation and the carousel, the attachment points of the plates stop in strictly fixed positions so that the magnets mounted on the device’s cover are aligned with the pins of soft magnetic metal in the attachment points of the plates. By lightly pressing a special ring that springs the magnets to the lid, all the magnets of the second system are brought to the pins of magnetically soft metal so that the pins are magnetized, then a special ring with magnets is released and the lid magnets pull the pins out of the holders of the plate attachment points. Removing the pins from the soft magnetic metal leads to the extension of the latches in all nodes of the mounting plates and the imposition of the upper plates on the bottom. Then, by turning the screw of the loading device, weights are dropped onto the plates, and loading is carried out in such a way that the compressive force on each pair of plates is ≈ 120 g / cm ² , and filtered heated compressed air from the line is fed through the nozzle so that the temperature of the air stream at the inlet into the closed space under the cover of the device was ^about 70.75 C and the supply flow rate of the warm air should be 3.5 l / min (it has been experimentally established that under these conditions the mating silicon wafers heated to T = 45.50 ^{° C} for 2.3 min). Under load and when heated by a stream of warm air, the plates are aged for 15 minutes. Then the supply of warm air is turned off, the lid of the device rises and the attachment points of the plates are removed. The attachment points of the plates are installed in the loading device, the latch located in the hole of the split ring is removed, and the connected pairs of plates are removed. Then the entire cycle of installation and connection of the plates is repeated.

После того, как все пластины пройдут низкотемпературный цикл соединения, полученные составные структуры устанавливаются в прорези стандартных кварцевых кассет, кассета вдвигается в рабочую зону стандартной диффузионной печи СДО 125/3 и производится высокотемпературный этап соединения: в среде азота пластины нагреваются до Т= 1100^оС и выдерживаются в течение 30 мин. Затем пластины охлаждаются до Т=700^оС в течение 30 мин и вся кассета со структурами выгружается из печи.After all the plates will be low-temperature cycle compound obtained composite structures are installed in the slots of quartz standard cassettes, the cassette is pushed into the working zone standard diffusion furnace DLS 125/3 and high temperature step is performed compound: plate in a nitrogen environment heated up to T = ¹¹⁰⁰ C and aged for 30 minutes. Then the plates are cooled to T = 700 ^° C for 30 minutes and the entire cartridge with structures is unloaded from the furnace.

Изучение поперечного скола сваренных таким образом пластин показало, что для большинства из них характерно наличие практически бездефектных объемов соединенных пластин и отсутствие дислокаций, распространяющихся от участков границы соединения из-за попадания загрязняющих частиц. Электрономикроскопическое изучение поперечных сколов пластин вблизи границы подтвердило наличие прочного соединения, причем толщина возможного окисла на границе соединения пластин не превышает 50

.A study of the transverse cleavage of the plates so welded showed that most of them are characterized by the presence of practically defect-free volumes of the connected plates and the absence of dislocations propagating from the sections of the joint boundary due to the ingress of contaminating particles. An electron-microscopic study of the transverse chips of the plates near the boundary confirmed the presence of a strong joint, and the thickness of the possible oxide at the boundary of the joint of the plates does not exceed 50

.

Соединенные таким образом пластины затем проходили полный цикл двусторонней механической обработки до толщины составной структуры n n⁺ 380 ± 20 мкм, причем рабочая поверхность составной структуры на финише подвергалась химико-механической полировке, а другая алмазной обработке. В таком виде составные структуры поступали в цикл изготовления мощных высоковольтных транзисторов.The plates joined in this way then underwent a full cycle of two-sided machining to the thickness of the composite structure nn ⁺ 380 ± 20 μm, the working surface of the composite structure at the finish being subjected to chemical-mechanical polishing and the other diamond processing. In this form, composite structures entered the manufacturing cycle of high-power high-voltage transistors.

П р и м е р 2. Конструкция устройства аналогична конструкции в примере 1. На карусели центрифуги монтируется шесть легкосъемных узлов крепления пластин. Через шесть отверстий в крышке проходят шесть осей, верхние концы которых закреплены на крышке как в примере 1, а на нижних размещены под крышкой шесть плоских магнитов, подпружиненных в вертикальном направлении как в примере 1. PRI me R 2. The design of the device is similar to the design in example 1. On the carousel of the centrifuge is mounted six easily removable attachment points of the plates. Six axes pass through six holes in the lid, the upper ends of which are fixed to the lid as in example 1, and the lower ones have six flat magnets under the lid, spring-loaded in the vertical direction as in example 1.

При откинутой крышке устройства снимают все узлы крепления пластин и так же, как в примере 1, размещают их на специальном загружающем устройство. Загрузка пластин в узел крепления пластин осуществляется как в примере 1. В данном примере устанавливались в качестве нижних кремниевые пластины диаметром 60 мм, предварительно прошедшие процесс окисления, когда на кремниевых пластинах выращивался окисел толщиной 0,25 мкм. В качестве верхних использовались пластины из нелегированного (ЛГ4П) с (100) арсенида галлия толщиной 450 мкм и диаметром 60 мм, щель между поверхностями соединяемых пластин в узлах крепления составляла 1.2 мм, пластины устанавливались полированными поверхностями навстречу друг другу. When the cover of the device is folded down, all the attachment points of the plates are removed and, as in example 1, they are placed on a special loading device. The loading of the wafers into the wafer mount is carried out as in Example 1. In this example, silicon wafers with a diameter of 60 mm were installed as lower wafers, which previously underwent the oxidation process when an oxide of 0.25 μm thickness was grown on silicon wafers. Upper plates were made of undoped (LG4P) with (100) gallium arsenide 450 μm thick and 60 mm in diameter, the gap between the surfaces of the connected plates at the attachment points was 1.2 mm, the plates were mounted with polished surfaces facing each other.

После установки пластин в узлы крепления узлы в строго фиксированном положении устанавливались на карусель центрифуги. Промывалась щель между пластинами, как в примере 1, закрывалась крышка устройства и производилось высушивание пластин центрифугированием при числе оборотов карусели 2500 об/мин, после остановки центрифуги производилось, как и в примере 1, нажатие на специальное кольцо, в результате чего происходило опускание магнитов крышки, извлечение штифтов из магнитомягкого металла, раздвижение фиксаторов и самопроизвольное наложение верхней арсенидогаллиевой пластины на нижнюю кремниевую пластину. Как и в примере 1, производилось нагружение пластин таким образом, чтобы сжимающие усилие составляло 60.70 г/см², и подавался через сопло отфильтрованный сжатый воздух, нагретый до температуры 80.100^оС при расходе 5.6 л/мин, при этом пластины нагревались до температуры 75.80^оС в течение 2.3 мин. В таком состоянии пластины выдерживались в течение 1 ч. Затем подача теплого воздуха прекращалась, крышка поднималась и вынимались узлы крепления пластин. Выгрузка соединившихся пар пластин производилась так же, как в примере 1. Затем все соединенные пластины загружались в пазы стандартной кварцевой кассеты, ставились в термостат и выдерживались там в течение 2 ч при Т=100.150^оС. После этого все соединенные пары передавались на операцию механической обработки, причем обрабатывалась только арсенидогаллиевая сторона соединенной подложки таким образом, чтобы окончательная толщина арсенидогаллиевого слоя составляла 5.8 мкм, а процесс механической обработки завершался химико-механической полировкой. Полученные таким образом структуры передавались на операцию молекулярно-лучевой эпитаксии, и на поверхности арсенида галлия растили квантовую структуру GaAs/GaAl As/GaAl As/GaAs, причем толщина нелегированного GaAlAs составляла 70

, а вся толщина слоистой структуры не превышала 1 мкм.After installing the plates in the attachment points, the nodes in a strictly fixed position were mounted on the centrifuge carousel. The gap between the plates was washed, as in example 1, the device cover was closed and the plates were dried by centrifugation at a carousel speed of 2500 rpm, after the centrifuge stopped, the special ring was pressed, as in example 1, as a result, the cover magnets were lowered , removing the pins from the soft magnetic metal, sliding the latches and spontaneous application of the upper arsenidogallium wafer to the lower silicon wafer. As in Example 1, produced the loading plate so that the compressive force was 60.70 g / cm ^2, and fed through the filtered compressed air nozzle is heated to a temperature of 80.100 ^C. at a rate of 5.6 l / min, the plate was heated to a temperature of 75.80 ^about C for 2.3 minutes In this state, the plates were kept for 1 hour. Then the supply of warm air was stopped, the lid was lifted and the attachment points of the plates were removed. Unloading have incorporated steam plates made in the same manner as in Example 1. Then, all connected to the plate were loaded into the slots of the quartz standard cassettes were placed in a thermostat and kept there for 2 hours at T = 100,150 ^C. Thereafter all connected pairs are transmitted to the mechanical operation processing, and only the arsenide-gallium side of the connected substrate was processed so that the final thickness of the arsenide-gallium layer was 5.8 μm, and the machining process was completed by a chemical-mechanical polishing Application Serial. The structures thus obtained were transferred to the molecular beam epitaxy operation, and the GaAs / GaAl As / GaAl As / GaAs quantum structure was grown on the surface of gallium arsenide, the thickness of undoped GaAlAs being 70

, and the entire thickness of the layered structure did not exceed 1 μm.

Таким образом, использование предлагаемого устройства обеспечивает проведение высокопроизводительного процесса низкотемпературного соединения кремниевых пластин, пластин арсенидогаллиевых с окисленными кремниевыми пластинами и прочих полупроводниковых образцов друг с другом, причем одновременно могут соединяться 20 и более пар пластин. Обеспечивается получение качественных соединений без пузырей на границе раздела и при бездефектных рабочих областях слоев. Автоматизация процесса соединения не представляет сложности, кстати разработанное загрузочное устройство практически является первым шагом на пути автоматизации процесса соединения. Кроме того, устройство просто в эксплуатации и позволяет легко регулировать усилие поджима пластин друг к другу, а также температуру нагрева пластин в процессе соединения от 30 до 80^оС в автоматической регулировкой температуры нагрева пластин.Thus, the use of the proposed device provides a high-performance process of low-temperature bonding of silicon wafers, arsenidogallium wafers with oxidized silicon wafers, and other semiconductor samples with each other, and 20 or more pairs of wafers can be connected at the same time. It provides high-quality compounds without bubbles at the interface and with defect-free working areas of the layers. Automation of the connection process is not difficult, by the way, the developed boot device is practically the first step towards automating the connection process. Furthermore, the device is simple in operation and allows easy adjustment of the force biasing the plates together, as well as plates heating temperature during connection of 30 to ⁸⁰ ° C in automatic adjustment of the heating temperature of the plates.

Технико-экономическая эффективность изобретения по сравнению с прототипом заключается в значительном усовершенствовании конструкции так, чтобы она обеспечивала получение высокой производительности процесса соединения, возможность легкой автоматизации процесса, высокое качество соединения. Предлагаемая конструкция может легко использоваться в заводских условиях для получения составных структур. The technical and economic efficiency of the invention compared to the prototype is a significant improvement in the design so that it provides high performance of the connection process, the possibility of easy automation of the process, high quality of the connection. The proposed design can be easily used in the factory to obtain composite structures.

Claims

1. DEVICE FOR LOW TEMPERATURE DIRECT CONNECTION OF SEMICONDUCTOR PLATES, containing a base, a centrifuge with a carousel with attachment points of semiconductor wafers, a cover to create an enclosed space above the connected semiconductor wafers, a heating unit, each attachment made with a holder for placement and detectors for separation characterized in that each attachment point of the semiconductor wafers is provided with a split ring with grooves, and the attachment point holder cylindrical helical torsion springs arranged to spring the split ring relative to the holder, the holder and the split ring being connected with a pin made of soft magnetic metal, grooves are made in the holder to accommodate the clamps to separate the semiconductor wafers, and the clamps are spring loaded with compression cylindrical screw springs relative to the split the rings, base and centrifuge carousel are equipped with a magnet system located on the same the distance from the axis of rotation of the centrifuge with the possibility of their interaction, and the lid for creating a closed space above the semiconductor wafers is equipped with magnets spring-loaded in the direction perpendicular to the base and placed coaxially with the pin of magnetically soft metal with the lid closed and the centrifuge magnets and the base magnets interacting.

2. The device according to claim 1, characterized in that the heating unit is made in the form of a nozzle with a filter placed on the base with means for connecting to a compressed air or nitrogen supply system and a heating element arranged to heat a stream of compressed air or nitrogen.