Hoe wordt de oxidatie van silicium gemodelleerd en wat zijn de belangrijkste parameters?

De oxidatie van silicium, een cruciaal proces in de halfgeleiderfabricage, kan worden gemodelleerd door de flux van oxiderende moleculen die zich over de oxide-laag verspreiden en hun interactie met het siliciumoppervlak. Er zijn verschillende belangrijke aspecten die het oxidatieproces bepalen, waarbij de snelheid van de oxidatie direct afhangt van de concentratie van oxiderende moleculen aan de interface tussen silicium en siliciumdioxide (SiO2).

In de basis is de oxidatie flux, F3, gegeven door de formule F3 = ks CS, waarbij ks de oppervlakte-snelheidsconstante is en CS de concentratie van het oxidatiemateriaal (bijvoorbeeld zuurstof). Deze flux is cruciaal voor de oxidatie en geeft aan hoeveel oxidatiemoleculen er per tijdseenheid worden verbruikt aan de Si/SiO2-interface. De constante ks vertegenwoordigt een aantal processen die plaatsvinden aan de interface, zoals de verbreking van Si-Si bindingen, de vorming van Si–O bindingen en de diffusie van zuurstof.

waarbij F de flux is die gelijk is aan de flux van het oxide (F1 = F2 = F3 = F). Dit maakt de oxidatie-snelheid afhankelijk van de concentratie van oxidanten en de diffusiecoëfficiënt van deze moleculen in het oxide.

Het oxidatieproces kan verder geanalyseerd worden door de differentiaalvergelijking voor de oxide-groei, die zoals volgt is:

waarbij N het aantal oxidatiemoleculen per volume-eenheid is dat in de oxide laag wordt opgenomen. Door de vergelijking te vereenvoudigen, kunnen de parameters A en B worden gedefinieerd, die de snelheid van oxidegroei bepalen in termen van de oxidantconcentratie en de diffusiecoëfficiënt:

Het oplossen van de afgeleide vergelijkingen biedt een analytische relatie tussen de dikte van de oxide laag (x0) en de oxidatietijd (t), wat kan worden uitgedrukt in een kwadratische vergelijking:

waarbij de parameter τ rekening houdt met de initiële dikte van de oxide laag op tijd t=0. Deze benadering maakt het mogelijk om de oxidatietijd voor een gewenste oxide-dikte te schatten.

waarbij E1 en E2 de activeringsenergieën zijn die verband houden met de fysieke processen die door B en B/A worden weergegeven. Deze parameters worden experimenteel bepaald en kunnen sterk variëren afhankelijk van het oxidatiemateriaal (bijvoorbeeld droog zuurstof of waterdamp).

Naast de oxidatie, spelen ook de methoden voor de vervaardiging van oxide en andere materialen, zoals chemische dampafzetting (CVD) en sputtering, een sleutelrol in de fabricage van halfgeleiders. CVD, bijvoorbeeld, is afhankelijk van temperatuur, gasdruk, en de snelheid van gasstromen, en kan worden geoptimaliseerd door controle van parameters zoals RF-energie en gasratio’s. De keuze van de techniek heeft invloed op de kwaliteit en de eigenschappen van de afgezette laag, wat belangrijk is voor de toepassing van het materiaal in geavanceerde elektronica.

Wat verder essentieel is voor een diepgaand begrip van dit proces, is dat de oxidatie van silicium niet alleen door de concentratie van het oxidatiemateriaal wordt bepaald, maar ook door de fysische eigenschappen van de oxide zelf, zoals de diffusiecoëfficiënt van de oxidant in de SiO2-laag. Dit is van belang bij het modelleren van de groeisnelheid van de oxide-laag, die sterk temperatuurafhankelijk is, en verklaart waarom de oxidatiesnelheid bij hogere temperaturen sneller verloopt.

Wat zijn de belangrijkste ontwerp- en fabricagekenmerken van microverwarmers?

Microverwarmers, vaak toegepast in MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)-technologie, zijn miniatuur verwarmingselementen die essentieel zijn in een breed scala aan toepassingen, waaronder gasdetectie, ontstekersystemen en gevoelige sensoren. De ontwikkeling van microverwarmers vereist een nauwkeurige afstemming van verschillende fysieke eigenschappen van de gebruikte materialen, evenals geavanceerde fabricagetechnieken om een optimale prestatie te bereiken.

Een belangrijk kenmerk van microverwarmers is hun thermische geleidbaarheid, die direct van invloed is op de efficiëntie van het verwarmingselement. Bijvoorbeeld, materialen zoals glas en silicium vertonen verschillende thermische geleidbaarheid, wat invloed heeft op hun vermogen om warmte effectief te verspreiden en op de energiebehoefte om een bepaalde temperatuur te bereiken. In een experimentele opstelling, zoals die van een spiraalvormig microverwarmer, blijkt dat een laag thermische geleidbaarheid in het glas de efficiëntie verhoogt in toepassingen waarbij de microverwarmer snel en met minimale energieoplossing moet werken, zoals bij een ontsteker in een pyrotechnische configuratie.

Daarnaast speelt de elektrische weerstand van het materiaal een cruciale rol in het ontwerp van de microverwarmer. Het gebruik van materialen met lage weerstand, zoals silicium, zorgt voor een efficiëntere verwarming, aangezien minder energie verloren gaat door resistieve verwarming. Dit heeft gevolgen voor zowel de energieverbruikskosten als de snelheid van verwarming, wat bijzonder belangrijk is in toepassingen die snel op temperatuur moeten komen, zoals bij ontstekersystemen.

Het ontwerp van de microverwarmer kan verder worden geoptimaliseerd door het gebruik van bepaalde geometrieën, zoals de meanderstructuur, die zorgt voor een efficiëntere verdeling van warmte over het oppervlak van de wafel. Dit type ontwerp verbetert de prestaties door de opwarmingstijd te verkorten en de verdeling van de temperatuur over het verwarmingselement te verbeteren.

De efficiëntie van de ontsteker wordt verder beïnvloed door de gebruikte spanning en de maximale stroom die de microverwarmer kan hanteren. In de besproken experimenten werden verschillende substraten getest, zoals glas en silicium, waarbij glas leidde tot een hogere efficiëntie door zijn lagere thermische geleidbaarheid. Het bereiken van een optimale balans tussen de opwarmtijd en de maximale temperatuur is dus een essentieel aspect van het ontwerp van microverwarmers, vooral wanneer ze worden gebruikt in toepassingen die snelle temperatuurveranderingen vereisen.

Naast de thermische en elektrische eigenschappen van het materiaal, speelt ook de verpakking van de microverwarmer een kritieke rol. In MEMS-toepassingen is de integratie van de microverwarmer in een geschikte behuizing essentieel om het apparaat te beschermen tegen fysieke schade en om een betrouwbare werking te garanderen. De keuze van het verpakkingsmateriaal en de methode van montage kunnen de algehele prestaties van de microverwarmer aanzienlijk beïnvloeden. In veel gevallen worden microverwarmers gemonteerd in dunne omhulsels of worden ze geïntegreerd in andere microsystemen om hun efficiëntie en functionaliteit te verbeteren.

In de praktijk blijkt dat de keuze van de substraten, de gebruikte montage- en verbindingstechnieken, evenals de geometrie van de verwarmingselementen zelf, bepalende factoren zijn voor de prestaties van de microverwarmer. Door deze aspecten zorgvuldig te optimaliseren, kunnen engineers microverwarmers ontwerpen die niet alleen energie-efficiënt zijn, maar ook snel reageren en betrouwbare resultaten leveren in toepassingen zoals gasdetectie, pyro-ontstekersystemen en andere geavanceerde technologieën die op MEMS gebaseerd zijn.

Wat is de invloed van reinigingsmethoden en de kwaliteit van waferverbindingsprocessen?

In de technologie van waferverbindingen wordt de kwaliteit van het verbindingproces doorgaans beoordeeld door middel van zowel destructieve als niet-destructieve tests. De niet-destructieve methoden, zoals visuele inspectie, testen op fijne en grove lekkages, en waterbubbeltesten, kunnen kwalitatieve voorspellingen doen over de kwaliteit van de verbinding, maar om een nauwkeurige meting van de sterkte van de verbinding te verkrijgen, zijn destructieve tests vereist. In dit kader worden de ‘Bond-pull’ en ‘Die-shear’ tests vaak gebruikt om de kracht van de verbinding te kwantificeren, met behulp van een eenheid die wordt uitgedrukt in kilogram-force (kgf).

De resultaten van dergelijke tests geven inzicht in de effectiviteit van de gebruikte methoden en de onderliggende technologie van het bondingproces. Het uitvoeren van die-shear tests, volgens de standaard MIL-STD-883, levert gedetailleerde gegevens op over de sterkte van de verbinding bij gebruik van verschillende wafermaterialen en reinigingsmethoden. In één van de experimenten werden wafers van 550 µm dik siliconenmateriaal en 500 µm dikke Pyrex-7740 glaswafers gebonden. De reinigingsmethoden hadden aanzienlijke invloed op de uiteindelijke sterkte van de verbinding.

Er werd bijvoorbeeld opgemerkt dat het reinigen van de wafers met gedioniseerd water (DI-water) vóór en na het bondingproces minder effectief bleek te zijn dan het reinigen van de wafers met DI-water, gevolgd door UV-reiniging bij een temperatuur van 50 °C. De UV-frequentie werd ingesteld op 34 kHz, en de sterkte van de verbinding werd op vijf verschillende punten op een enkele wafer gemeten, waarbij verschillende dies werden opgepakt voor testdoeleinden. Dit leverde gedetailleerde informatie op over de variabiliteit van de bondsterkte op verschillende posities van de wafer.

De testresultaten toonden ook aan dat de bondsterkte aanzienlijk varieerde afhankelijk van het type wafer. Bijvoorbeeld, bij gebruik van een SOI-wafer (Silicon on Insulator) werd een zwakkere bondsterkte waargenomen in vergelijking met standaard siliconenwafers. Deze variabiliteit in de prestaties van verschillende wafers benadrukt het belang van het kiezen van het juiste materiaal voor specifieke toepassingen, evenals de invloed van voorbehandelingsmethoden zoals reiniging en UV-behandeling.

Naast de materiële keuzes en de reinigingsmethoden, is ook de oppervlaktebehandeling van de wafer een belangrijk aspect van het bondingproces. De oppervlaktegebied van de bonding, zoals geanalyseerd in aanvullende experimenten, toont aan dat de beschikbare oppervlakte voor binding van invloed is op de sterkte van de verbinding. Het is belangrijk dat de waferoppervlakte goed wordt voorbereid om een sterke en betrouwbare binding te garanderen, wat essentieel is voor de prestaties van de uiteindelijke micro-elektronische apparaten.

Hoewel de testresultaten waardevolle inzichten geven in het verbeteren van de kwaliteit van waferverbindingen, blijft het belangrijk te begrijpen dat de gekozen methoden en materialen voor bonding niet altijd een perfect resultaat garanderen. Fijnmazige factoren, zoals de specifieke omgeving en technische instellingen tijdens het bondingproces, kunnen de uiteindelijke sterkte van de verbinding beïnvloeden. Het is cruciaal dat engineers en onderzoekers zorgvuldig de juiste combinatie van materialen, reinigingsmethoden en testprocedures kiezen om te zorgen voor de hoogste kwaliteit van de waferverbindingen.

In de latere stadia van de productie kunnen problemen ontstaan bij het verwijderen (delidding) van hermetisch afgesloten pakketten, vooral wanneer er een risico bestaat dat er deeltjes in de verpakking komen, wat de werking van het apparaat kan beïnvloeden. Het verminderen van de noodzaak voor naspoelen of afwerken van de afdichtingsflens na delidding is een belangrijke uitdaging. Deeltjes kunnen de verpakking binnenkomen en de betrouwbaarheid van het product ondermijnen, dus het ontwikkelen van processen die deze risico’s minimaliseren, is van groot belang.

Voor de succesvolle herafdichting van pakketten na delidding, zijn nauwkeurige technieken en parameters nodig om een perfecte afdichting te herstellen zonder de interne circuits te beschadigen. Het gebruik van naadlaslassen met behulp van twee roterende elektroden is een van de meest efficiënte methoden om dit te bereiken. Dit proces wordt vaak gecombineerd met methoden om de vlakheid van de afdichtingsflens te waarborgen en deeltjes binnenin te voorkomen, wat essentieel is voor het behoud van de integriteit van het product en de uiteindelijke prestaties.