Selbstmontage & Die-to-Wafer-Bonding CEA-Leti und Intel entwickeln Technik für hybrides D2W-Bonding

Von Sebastian Gerstl

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Das französische Forschungslabor CEA-Leti und Intel haben ein hybrides Direktbonding- und Selbstmontageverfahrfür ein besseres Die-to-Wafer-Bonding (D2W) in der Chipfertigung optimiert. Das Verfahren verspricht eine höhere die Ausrichtungsgenauigkeit und eine Steigerung des Fertigungsdurchsatzes um mehrere tausend Chips pro Stunde.

CEA-Leti und Intel melden eine gemeinsamen Durchbruch bei der Die-to-Wafer-Selbstmontage mit hoher Ausrichtungsgenauigkeit und hohem Durchsatz.
CEA-Leti und Intel melden eine gemeinsamen Durchbruch bei der Die-to-Wafer-Selbstmontage mit hoher Ausrichtungsgenauigkeit und hohem Durchsatz.
(Bild: CEA-Leti)

Seit etwa 18 Monaten arbeiten das französische Forschungsinstitut CEA-Leti und Intel zusammen, um bessere Methoden für 3D-Packaging und leistungsfähigere Produktion im Die-to-Wafer-Bonding-Verfahren zu erreichen. Im Zuge dieser Kooperation haben die Partner nun ein verbessertes hybrides Direktbonding, Selbstmontageverfahren für D2W (Die-to-Wafer) Bonding Verfahren vorgestellt.

Das neue Verfahren verspricht, die Ausrichtungsgenauigkeit und den Fertigungsdurchsatz um mehrere tausend Dies pro Stunde zu erhöhen. Der Ansatz nutzt die Kapillarkräfte eines Wassertropfens, um die Dies auf einem Zielwafer auszurichten.

Die-to-Wafer-Bonding gilt als wegweisend für die Kombination von Speicher-, HPC- und Photonik-Chips direkt auf einem Wafersubstrat. Das Resultat wäre eine effizienter Produktion von leistungsfähigeren, „selbst montierten“ Chips schon ab der Waferproduktion. CEA-Leti entwickelt seit mehreren Jahren eine Methode zur Selbstmontage mit dem Ziel, den Durchsatz und die Platzierungsgenauigkeit erheblich zu erhöhen.

Kapillarkräfte aus Wassertropfen sorgen für höhere Präzision

„Ein kommerzieller Durchsatz bei der D2W-Selbstmontage ist mit zwei großen Herausforderungen verbunden, die mit der Handhabung der Chips zusammenhängen“, so Emilie Bourjot, Projektleiterin für 3D-Integration bei CEA-Leti. „Wenn der Selbstmontageprozess mit einem Pick-and-Place-Tool kombiniert wird, kann der Durchsatz erhöht werden, indem die Zeit für die Ausrichtung reduziert wird, da die Feinausrichtung vom Tröpfchen durchgeführt wird. Wird die Selbstmontage mit einer Lösung für das kollektive Handhaben von Stanzformen kombiniert, wird der Durchsatz dadurch erhöht, dass alle Stanzformen gleichzeitig miteinander verbunden werden, ohne dass zu irgendeinem Zeitpunkt des Prozesses eine hochpräzise Platzierung erforderlich ist.“

Die Prozessoptimierung ist ebenfalls ein wichtiger Teil dieser Arbeit, um die Prozessreife zu erhöhen und die industriellen Anforderungen zu erfüllen. „Mit einer solchen Ausrichtungs- und Durchsatzleistung ist dies definitiv ein vielversprechender Schritt, der die Magie der Physik mit einem einfachen Wassertropfen verbindet“, sagte Bourjot.

In einem Beitrag auf der Electronic Components and Technology Conference (ECTC) 2022 beschreiben die Forscher ihre neuartige die Technik. in ihr werden Kapillarkräfte genutzt, die sich aus dem Prinzip der Oberflächenminimierung ergeben und im Falle einer Flüssigkeit durch Oberflächenspannung ausgeübt werden.

Makroskopisch gesehen tendiert die Flüssigkeit dazu, ihre Flüssigkeits/Luft-Grenzfläche zu minimieren, um einen Gleichgewichtszustand mit minimaler Energie zu erreichen. Dieser Mechanismus ermöglicht die Selbstausrichtung des Würfels an seiner Bindungsstelle. Die als Ausrichtungsvektor gewählte Flüssigkeit muss eine hohe Oberflächenspannung aufweisen und mit der direkten Verklebung kompatibel sein. Die meisten Flüssigkeiten haben eine Oberflächenspannung zwischen 20 und 50 mN/m, mit Ausnahme von Wasser, das eine Oberflächenspannung von 72,1 mN/m aufweist, was es zu einem ausgezeichneten Kandidaten für die Selbstmontage mittels hydrophiler Bindung macht, bei der Wasser bereits ein Schlüsselparameter des Mechanismus ist.

CEA-Leti hat ein D2W-System entwickelt, das eine mittlere Fehlausrichtung von weniger als 150 nm für eine breite Palette von Chipabmessungen (8×8 mm2, 2,7×2,7 mm2, 1,3×11,8 mm2 und 2,2×11,8 mm2) aufweist. Im Vergleich dazu liegt die Ausrichtung bei einem Pick-and-Place-Werkzeug nach dem Bonden bei 1 µm und im besten Fall bei 700 nm, während ein Selbstausrichtungsprozess eine Ausrichtung von unter 500 nm und sogar weniger als 200 nm nach dem Bonden ermöglicht.

Für Serienreife fehlen noch die nötigen Standard-Werkzeuge

„Da es keine industriellen Werkzeuge für den Selbstmontageansatz gibt, hat das Team einen eigenen Labortisch hergestellt, der eine kollektive Selbstmontage ermöglicht. Die manuelle Prozesskontrolle mit geringer Reproduzierbarkeit ermöglichte dennoch eine Ausrichtung von 500 nm und weniger, was stark darauf hindeutet, dass ein industrielles Werkzeug für diesen Prozess eine höhere Reproduzierbarkeit, Robustheit und Präzision bieten würde“, so CEA-Leti.

Ziel des Papiers ist es, die Hersteller von Montageanlagen zu ermutigen, die Technologie zu übernehmen. „Viele Aspekte der Selbstmontage müssen noch erforscht werden, und große Verbesserungen werden nur möglich sein, wenn die Werkzeughersteller (ein) angepasstes Werkzeug zur Automatisierung dieses Prozesses entwickeln“, so die Forscher.

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