Результат интеллектуальной деятельности: Способ повышения прочности стыковки кристаллов

Изобретение относится к области полупроводниковой микроэлектроники, а именно к технологии сборки полупроводниковых приборов, и может быть использовано для гибридизации матричных фотоприемных устройств (МФПУ) методом перевернутого монтажа.

В известном способе стыковки [патент США №4067104] индиевые микроконтакты выполнены в виде квадратных или круглых столбиков с плоскими вершинами и практически с одинаковыми геометрическими размерами для стыкуемых кристаллов БИС считывания и матрицы фоточувствительных элементов (МФЧЭ). Один из недостатков указанного способа стыковки состоит в низкой прочности соединения кристаллов. Основная причина низкой прочности ФПУ - наличие на поверхности индиевых микроконтактов оксидной пленки, обладающей низкими адгезионными и пластическими свойствами. Индиевые соединения микроконтактов постепенно разрушаются по границе соединения индий - индий, поскольку между двумя слоями индия присутствует индиевая окисная пленка, которая значительно ослабляет прочность соединения. По этой границе происходит постепенное разрушение микроконтактов [патент RU №2411610]. Качественная холодная сварка индиевых микроконтактов происходит только в тех местах, где при сдавливании нарушается целостность оксидного слоя и чистый индий выдавливается из объема микроконтакта навстречу чистому индию ответного микроконтакта. Таким образом, для повышения прочности стыковки необходимо очистить место соединения индиевых микроконтактов от оксидной пленки и создать тем самым условия для объединения чистого индия от двух стыкуемых микроконтактов.

Существует много способов очистки поверхности индиевых микроконтактов от оксидной пленки:

- химическое травление в 1% соляной кислоте;

- ионное травление;

- механическая очистка с помощью колеблющейся в потоке воздуха вольфрамовой проволоки диаметром 8-10 мкм;

- оплавление в защитной атмосфере микроконтакта с получением сферической формы и др.

Следует отметить, что полной очистки от оксида в перечисленных способах не происходит и, кроме того, окисление индия на воздухе происходит очень быстро - за десятки секунд [патент RU №2411610]. После очистки поверхности микроконтактов от окисной пленки до их стыковки проходит определенное время, в течение которого происходит формирование новой пленки оксида индия.

Во время сдавливания микроконтактов при стыковке кристаллов происходит растрескивание образовавшейся тонкой оксидной пленки на поверхности индиевого микроконтакта. Однако это не означает ее удаления из зоны контакта. Чистый индий, выступивший из образовавшихся трещин одного микроконтакта, соединяется с выдавленным индием из трещин другого стыкуемого микроконтакта. Вследствие этого в зоне стыковки остаются частицы оксида от обоих микроконтактов, полной очистки от оксида индия в месте стыковки не происходит, что в конечном итоге снижает прочность стыковки.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ оплавления микроконтакта в защитной атмосфере, например водорода, при повышенной температуре с приданием столбу сферической формы [патент RU №2392690].

Оплавленные индиевые столбы на мультиплексоре из-за незначительной площади первичного контакта вдавливаются в плоскую поверхность ответных индиевых столбов МФЧЭ, деформируют их поверхность, разрушая целостность оксидной пленки. По мере дальнейшего сдавливания область растрескивания оксидных пленок расширяется и охватывает всю поверхность индиевого столба на мультиплексоре и МФЧЭ. По сравнению с аналогами данное техническое решение позволяет качественнее провести разрушение пленки оксида индия из-за более сильной деформации поверхности микроконтакта по сравнению со стыковкой плоских микроконтактов.

Указанный способ стыковки имеет существенный недостаток, связанный с недостаточной очисткой зоны стыковки от оксида индия, что снижает прочность стыковки микроконтактов, и применением дополнительных трудоемких операций по очистке и оплавлению поверхности индиевых микроконтактов от оксидной пленки.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение прочности соединения индиевых микроконтактов двух кристаллов.

Технический результат изобретения состоит в исключении дополнительных операций по зачистке поверхности микроконтактов от оксида индия.

Эта задача решается применением способа патента RU №2537089 в качестве способа повышения прочности стыковки.

Задача изобретения по патенту №2537089 состоит в повышении надежности стыковки путем исключения возможности закорачивания соседних микроконтактов.

Новое применение способа гибридизации стало возможным благодаря обнаруженному после расстыковки эффекту увеличения прочности соединения индиевых микроконтактов прямоугольной формы без использования дополнительных операций по их очистке от оксида индия. Это новое свойство изобретения нельзя было предсказать заранее.

Технический результат достигается тем, что:

- индиевые микроконтакты выполнены в виде вытянутых прямоугольников, расположенных под углом по отношению друг к другу - фиг. 1, где поз. 1 и 2 обозначают микроконтакты разных кристаллов;

- очистка микроконтактов от оксида индия происходит в зоне стыковки во время сильной деформации микроконтактов при их сдавливании с вытеснением оксида на периферию зоны стыковки. Индий при этом не успевает окислиться. В аналогах же стыковка проводится после зачистки поверхности микроконтактов;

- стыкуемые микроконтакты как бы разрезают друг друга с последующим слипанием не только горизонтальными плоскостями, но и боковыми сторонами;

- стыковка каждого микроконтакта происходит не только по его поверхности, как в случае квадратных или круглых микроконтактов, но и по двум вертикальным стенкам, выдавленным ответным микроконтактом, что увеличивает эффективную площадь слипания микроконтактов;

- для увеличения площади стыковки индиевые микроконтакты ориентируют по противоположным диагоналям ячеек стыкуемых кристаллов (фиг. 2). В этом случае длина и ширина индиевых микроконтактов увеличиваются в . Так, например, при шаге ячеек в 15 мкм в матрице длина и ширина прямоугольных микроконтактов при их ориентации параллельно сторонам ячеек может составлять соответственно 10 мкм и 5 мкм, а при ориентации по диагоналям - 14 мкм и 7 мкм. В первом случае площадь стыковки составляет 5×5=25 мкм², а во втором - 7×7=49 мкм², что в два раза выше, а следовательно, выше и прочность соединения микроконтактов;

- для создания опорных индиевых микроконтактов большой площади, например контактов к подложке, формируют множество прямоугольных микроконтактов на каждом кристалле, которые могут быть объединены в решетки (фиг. 3). Причем решетки индиевых микроконтактов на каждом кристалле сдвинуты относительно друг друга на половину шага по двум координатам. Опорные контакты большей площади, чем матричные, располагаются по периферии матрицы и предназначены для исключения передавливания матричных микроконтактов при стыковке. Обычно они бывают двух типов - когда опорные контакты стыкуются друг с другом, как матричные, или когда опорные контакты одного кристалла попадают в промежутки между опорными контактами другого кристалла. В первом случае образуется широкий зазор (равный сумме толщин микроконтактов двух кристаллов) между кристаллами из-за упершихся друг в друга массивных опорных элементов, что приводит к недостаточной стыковке матричных элементов. Во втором случае зазор между кристаллами узкий (равный высоте одного микроконтакта), что может привести к передавливанию микроконтактов с последующей закороткой между ними. По предлагаемому способу можно менять зазор между кристаллами путем комбинирования ширины и шага индиевых полос, составляющих решетку, т.е. широкие и частые полосы будут увеличивать зазор между кристаллами, а узкие и редкие - уменьшать зазор. Таким образом можно формировать регулируемый ограничитель стыковки кристаллов.

Проведен ряд стыковок кристаллов БИС и МФЧЭ формата 384×288 с шагом 28 мкм с микроконтактами прямоугольной формы, повернутыми на угол 90° по отношению друг к другу. На фиг. 4 показан фрагмент кристалла БИС считывания до стыковки.

После расстыковки кристаллов с прямоугольными микроконтактами (фиг. 5) заметна деформация нижних и боковых стенок зоны стыковки микроконтактов, связанная с разрывом слипшихся индиевых микроконтактов при расстыковке кристаллов, что свидетельствует о хорошей холодной сварке микроконтактов двух кристаллов. Это позволяет получить высокую прочность соединения микроконтактов в широком диапазоне температур без использования дополнительных приемов улучшения качества холодной сварки.