La unión eutéctica , también denominada soldadura eutéctica, describe una técnica de unión de obleas con una capa intermedia de metal que puede producir un sistema eutéctico . Esos metales eutécticos son aleaciones que se transforman directamente de estado sólido a líquido, o viceversa de estado líquido a sólido, a una composición y temperatura específicas sin pasar por un equilibrio de dos fases, es decir, estado líquido y sólido. El hecho de que la temperatura eutéctica pueda ser mucho menor que la temperatura de fusión de los dos o más elementos puros puede ser importante en la unión eutéctica. [ cita requerida ]
Las aleaciones eutécticas se depositan mediante pulverización catódica, evaporación de doble fuente o galvanoplastia. También pueden formarse mediante reacciones de difusión de materiales puros y posterior fusión de la composición eutéctica. [2]
Venkatasubramanian et al. desarrollaron e informaron sobre la unión eutéctica para transferir materiales epitaxiales como GaAs-AlGaAs sobre sustratos de Si con altos rendimientos para el propósito general de la integración optoelectrónica con electrónica de Si, así como para superar problemas fundamentales como el desajuste de red en la heteroepitaxia, en 1992, y el mismo grupo validó e informó sobre el rendimiento de los materiales GaAs-AlGaAs unidos eutécticamente para células solares en 1994. [3] [4]
La unión eutéctica permite producir paquetes herméticamente sellados e interconexión eléctrica en un solo proceso (comparar imágenes ultrasónicas) [ se necesita más explicación ] . Este procedimiento se lleva a cabo a bajas temperaturas, lo que da como resultado una baja tensión resultante inducida en el ensamblaje final, una alta resistencia de unión, un gran rendimiento de fabricación y una buena confiabilidad. Estos atributos dependen del coeficiente de expansión térmica entre los sustratos. [1]
Los parámetros más importantes para la unión eutéctica son:
La unión eutéctica se basa en la capacidad del silicio (Si) de alearse con numerosos metales y formar un sistema eutéctico. Las formaciones eutécticas más establecidas son Si con oro (Au) o con aluminio (Al). [5] Este procedimiento de unión se utiliza con mayor frecuencia para obleas de Si o vidrio recubiertas con una película de Au/Al y parcialmente con una capa adhesiva (compárese con la siguiente imagen).
La pareja Si-Au tiene las ventajas de una temperatura eutéctica excepcionalmente baja, un uso ya extendido en la unión de matrices y la compatibilidad con interconexiones de Al. [6] Además, en la tabla se muestran aleaciones eutécticas que se utilizan con frecuencia para la unión de obleas en la fabricación de semiconductores. La elección de la aleación correcta está determinada por la temperatura de procesamiento y la compatibilidad de los materiales utilizados. [7]
Además, la unión tiene menos restricciones en cuanto a la rugosidad y planaridad del sustrato que la unión directa. En comparación con la unión anódica, no se requieren altos voltajes que puedan ser perjudiciales para los MEMS electrostáticos. Además, el procedimiento de unión eutéctica promueve una mejor desgasificación y hermeticidad que la unión con capas intermedias orgánicas. [10] En comparación con la unión con frita de vidrio, la ventaja sobresale de que es posible la reducción de las geometrías del anillo de sellado, un aumento de los niveles de hermeticidad y una reducción del tamaño del dispositivo. La geometría de los sellos eutécticos se caracteriza por un espesor de 1 - 5 μm y una anchura de > 50 μm. El uso de aleación eutéctica trae la ventaja de proporcionar conducción eléctrica e interconexión con capas de redistribución.
La temperatura del proceso de unión eutéctica depende del material utilizado. La unión se produce a una determinada temperatura y porcentaje de peso, p. ej. 370 °C a 2,85 % de Si en el caso de la capa intermedia de Au (comparar con el diagrama de fases). [5]
El procedimiento de unión eutéctica se divide en los siguientes pasos: [11]
La preparación de la superficie es el paso más importante para lograr una unión eutéctica exitosa. Antes de la preparación, el óxido sobre la superficie de silicio actúa como una barrera de difusión; la unión eutéctica del metal debe formarse contra el silicio limpio. [6] [12]
Para eliminar las capas de óxido nativo existentes se puede utilizar el grabado químico húmedo (limpieza HF), el grabado químico seco o la deposición química en fase de vapor (CVD) con diferentes tipos de cristales. Algunas aplicaciones también requieren un pretratamiento de la superficie mediante procesos de eliminación de óxido en seco, por ejemplo, plasma de H2 y plasma de CF4 . [ 1]
Un método adicional para la eliminación de películas superficiales no deseadas, es decir, óxido, es la aplicación de ultrasonidos durante el proceso de fijación. [13] Tan pronto como se baja la herramienta [ ¿dónde? ] se aplica una vibración relativa entre la oblea y el sustrato. Comúnmente, los pegadores industriales utilizan ultrasonidos con frecuencias de vibración de 60 KHz y una amplitud de vibración de 100 μm. [14] Una eliminación de óxido exitosa da como resultado una conexión sólida y herméticamente ajustada. [5]
Un segundo método para garantizar que el metal eutéctico se adhiera a la oblea de Si es mediante el uso de una capa de adhesión. Esta fina capa intermedia de metal se adhiere bien al óxido y al metal eutéctico. Los metales más adecuados para un compuesto Au-Si son el titanio (Ti) y el cromo (Cr), dando como resultado, por ejemplo, Si-SiO2 - Ti -Au o Si-SiO2 - Cr-Au. La capa de adhesión se utiliza para romper el óxido mediante la difusión del silicio en el material utilizado. Una oblea típica está compuesta por una oblea de silicio con óxido, una capa de Ti o Cr de 30 a 200 nm y una capa de Au de > 500 nm de espesor. [ cita requerida ]
En la fabricación de obleas se añade una capa de níquel (Ni) o platino (Pt) entre el oro y la oblea del sustrato como barrera de difusión. [10] La barrera de difusión evita la interacción entre Au y Ti/Cr y requiere temperaturas más altas para formar una unión fiable y uniforme. Además, la solubilidad muy limitada del silicio en titanio y cromo puede impedir el desarrollo de una composición eutéctica Au-Si basada en la difusión del silicio a través del titanio hacia el oro. [ aclaración necesaria ] [6]
Los materiales eutécticos y las capas de adhesión opcionales generalmente se unen por deposición como una aleación en una capa mediante galvanoplastia de doble componente, evaporación de doble fuente ( deposición física de vapor ) o pulverización catódica de aleación compuesta. [12]
La eliminación de la contaminación, en la capa de Au más establecida del silicio, se realiza generalmente con lavado con agua y calentamiento de la oblea. [ incomprensible ] [1]
La unión de los sustratos se realiza directamente después del pretratamiento de las superficies para evitar la regeneración de óxido. El procedimiento de unión para oxidar metales (no Au) generalmente se lleva a cabo en una atmósfera reducida de 4% de hidrógeno y un flujo de gas portador inerte, por ejemplo nitrógeno. Los requisitos para el equipo de unión radican en la uniformidad térmica y de presión a lo largo de la oblea. Esto permite líneas de sellado comprimidas uniformemente. [2]
El sustrato se alinea y se fija en una platina calentada y la oblea de silicio en una herramienta calentada. Los sustratos insertados en la cámara de unión se ponen en contacto manteniendo la alineación. Tan pronto como las capas están en contacto atómico, comienza la reacción entre ellas. Para apoyar la reacción se aplica presión mecánica y se lleva a cabo un calentamiento por encima de la temperatura eutéctica. [1]
La difusividad y solubilidad del oro en el sustrato de silicio aumenta con el aumento de las temperaturas de unión. Por lo general, se prefiere una temperatura más alta que la temperatura eutéctica para el procedimiento de unión. Esto puede dar como resultado la formación de una capa de aleación de Au-Si más gruesa y, además, una unión eutéctica más fuerte. [15]
La difusión comienza tan pronto como las capas están en contacto atómico a temperaturas elevadas. [1] La capa superficial en contacto que contiene los compuestos eutécticos se funde, formando una aleación en fase líquida, acelerando los procesos de mezcla y difusión hasta que se alcanza la composición de saturación. [16] [17]
Otras aleaciones de unión eutéctica comunes que se utilizan habitualmente para la unión de obleas incluyen Au-Sn, Al-Ge, Au-Ge, Au-In y Cu-Sn. [9]
La temperatura de unión elegida suele ser algunos grados superior a la temperatura eutéctica, por lo que la masa fundida se vuelve menos viscosa y fluye fácilmente debido a la mayor rugosidad hacia las áreas de la superficie que no están en contacto atómico. [12] Para evitar que la masa fundida se presione fuera de la interfaz de unión, es necesario optimizar el control de los parámetros de unión, por ejemplo, aplicando poca fuerza sobre las obleas. De lo contrario, puede provocar cortocircuitos o fallos en el funcionamiento de los componentes utilizados (eléctricos y mecánicos). [1] El calentamiento de las obleas provoca un cambio en la textura de la superficie debido a la formación de microestructuras finas de silicio sobre la superficie de oro. [17]
La mezcla de materiales se solidifica cuando la temperatura desciende por debajo del punto eutéctico o cambia la relación de concentración (para Si-Au: T < 370 °C ). [1] La solidificación conduce al crecimiento epitaxial de silicio y oro sobre el sustrato de silicio, lo que da como resultado numerosas islas pequeñas de silicio que sobresalen de una aleación de oro policristalino (compárese con la imagen de la sección transversal de la interfaz de unión). [6] Esto puede dar como resultado resistencias de unión de alrededor de 70 MPa.
La importancia radica en los parámetros de proceso adecuados, es decir, un control suficiente de la temperatura de unión. [17] De lo contrario, la unión se agrieta debido a la tensión causada por un desajuste del coeficiente de expansión térmica. Esta tensión puede relajarse con el tiempo. [6]
Debido a la alta resistencia de unión, este procedimiento es especialmente aplicable para sensores de presión o fluídica. Se pueden fabricar sensores y actuadores micromecánicos con funciones electrónicas o mecánicas que abarcan múltiples obleas. [17] [ Se necesita una mejor fuente ]