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26 settembre 2006 Sommario• Oggetto della Proposta: silicon-diamond wafer-bonding
• Materiali compositi e Wafer-bonding
• Prospettive
• Stato della tecnologia silicon-on-diamond (semiconductor ondiamond)
• Proprietà termiche del diamante (breve cenno)
• Attività proposta nel 2007:
i. realizzazione del wafer-bonding (discussione dellestrategie adottate e delle difficoltà da superare).
ii. Caratterizzazione delle interfacce
• Preventivi di spesa (ridotti) per l’attività di ricerca proposta
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26 settembre 2006 Oggetto:Realizzazione di giunzioni SOD
(Silicon on Diamond)
Silicio:elettronica integrata,
sensore
Diamante:Heat-spreader e isolante
(CVD Diamant- IAF )
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26 settembre 2006Materiali compositiIl grande interesse dell’industria elettronica per i materialicompositi è dovuta ai problemi posti dalla richiesta di alti
livelli di integrazione (densità di transistors), di alteprestazioni (frequenza, I/O ottici) e dalla conseguente
densita`di potenza da dissipare.
Il Silicon-On-Insulator (SOI) [p. 6-7] è una risposta consolidataanche se in evoluzione e con recenti interessanti aperture alcampo della rivelazione di particelle ionizzanti (pixel detectors)[p. 8-9].
Nuovi materiali semiconduttori tipo (Si,GaN)-On-Diamond sono incorso di sperimentazione o sono stati appena annunciati [P. 10-13] Inquesti, il diamante gioca il ruolo (meccanico) del SiO2-Si nel SOI ma,
soprattutto, è l’efficiente dissipatore di calore [P. 10-13].
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26 settembre 2006 Wafer-bondingAlla base dei materiali compositi c’è (spesso) una tecnica disaldatura (wafer bonding) capace di unire tenacemente e
intimamente (saldatura “atomica”) materiali diversi fra loro.
La realizzazione della giunzione puo` avvenire o con l’utilizzodi catalizzatori a pressione ambiente e temperature
contenute o ricorrendo a pressioni e temperature elevate.In entrambi i casi le superici dei due materiali devono
essere accuratamente pulite e lucidate.
Per la coppia silicio-diamante non è ancora consolidata latecnica di bonding.
La tecnica di wafer bonding dipende dal tipo di materialiutilizzati ma, entro certi limiti, non dalla loro qualita`eprovenienza.
26 settembre 2006 ProspettiveL’acquisizione di una tecnologia di wafer-bonding Si-Diamondha una valenza ampia, spendibile in ambito INFN anche a
livello di componentistica di sistemi di rivelazione complessi,là dove sia richiesto un’efficiente dispersione di calore
(Virgo, RAPS,...).
Lo scopo della proposta NON E’ lo studio deldiamante ma la tecnica di bonding Silicio-
Diamante policristallino (pCVD)
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26 settembre 2006
Prospettive (II): possibili dispositivi
Diamante come supporto e heatspreader per la tecnologia RAPS
(RAPS On DIA)
SOD con spessore di ~10 µm didiamante
(micro-patterning del diamante conplasma etching)
p+n+
diamante
p wellE
p+
26 settembre 2006 SOI: geometria/vantaggiIntegrazione dell’elettronica su
strati di Si < 1 µmSpessore dello strato isolante
(SiO2) ≤ 1µm
Supporto meccanico Si≈ 300 µm
La tecnologia SOI e` usata da molti costruttori di chip contecnologie 130 nm, 90 nm( IBM, AMD, INTEL,.. )
Due tecnologie costruttive : SIMOX, Wafer Bonding
Migliore performance-per-watt, velocità dei
dispositivi
Minore sensibilita`alle radiazioni ionizzanti deidispositivi Ma...
Pessima conducibilita`di calore (dovuta al SiO2)
26 settembre 2006Perché non utilizzare il supporto
SOI per realizzare Pixel Detectors?
150x150 µm2, 128x128 canali
supporto SOI ad alta resistività
giunzioni disposte in 2D attraverso l’ossido(PIXEL), detector FZ >4kΩ cm, 300 µm
elettronica sullo strato superficiale di Si, ~10
Ωcm,1.5 µm in corrispondenza di un pixel
(Jastrzab et al.,
NIMA 560 (2006) 31)
Vedi anche: Int. Symp. onDetector Devel.SLAC, CA, April 5, 2006Yasuo Arai (KEK)
26 settembre 2006
Silicon-on-diamond: An advanced silicon-on-insulator technology
Diamond & Related Materials 14 (2005) 308– 313
1.5 µm thick Si
3 ×30 µm2 heater stripsand two 3 ×30 µm2
Heat sink di rame
50 µm thick diam
26 settembre 2006
Thermal imaging del profilodi temperatura
Auto-riscaldamento del punto caldo
Potenza applicata
26 settembre 2006
And it would be farbetter for a
thinner Si devicelayer and diamond
with higherthermal
conductivity.
(1) The thermal load is spread over an area much larger than theheater for the SOD sample, while it is concentrated
primarily below and around the heater for the SOI sample;and (2) the applied power density for the SOD sample is more
than one order of magnitude higher. The SOD sample can handle~12.5 times more power than the SOI sample
26 settembre 2006 www.diamond-materials.com
Proprietàtermiche deldiamante CVDcommerciale
Da:
DiamondMaterials
Spin-off delFraunhöfer
Insitut
26 settembre 2006
Proprietàtermiche deldiamante CVDcommerciale
Le proprietàtermiche
ed ottiche deldiamante
policristallinoCVD eguagliano
quelle deldiamante
singolo cristallo
RTrame
26 settembre 2006
Proprietàtermiche deldiamante CVDcommerciale
Calore specifico relativamente basso…
RT0.5 J/g
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26 settembre 2006
Diamante CVD come heat spreader
D = K /ρ c =12.5 cm2/s
Conducibilità termica 20 W/cm K (più alta di qualsiasi sostanza a T ambiente)
Bassa densità3.52/cm3
Basso calore Specifico: 0.5 J/g K
Diffusività termica D altissima(più di 10 volte quella del rame)Il diamante diffonde il calore
molto velocementeE’ un heat-spreader
ideale
26 settembre 2006
Diamante CVD come heat-spreader• Condizioni meno stringenti sulla qualità del
thermal/optical grade diamond rispetto al detector-grade• Grande mercato : è realistico pensare ad un forte calo del costo/ unità di superficie, nei prossimi anni
Molti produttori sul mercato (non solo De Beers): Sumitomo,Diamonex, sp3, Apollo Diamond, Diamond Materials etc…
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26 settembre 2006
Attività di Ricerca:wafer-bonding
• Il diamante utilizzato fino a ora per wafer-bonding èaltamente difettoso poche decine di micrometri dalsubstrato di nucleazione (SOD-N).
• Come in altre applicazioni ad alta tecnologia vogliamoutilizzare il lato di crescita rimosso a ~100 µm dalsubstrato (SOD-G)
• Il materiale (diamante) di qualità cristallina ottimale(unbowed, unstressed) a bassa concentrazione di bordi digrano, può essere quindi saldato al materiale (silicio) diqualità elettronica ottimale
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26 settembre 2006
Precedenti tentativi di wafer-bonding• Il diamante è stato saldato al silicio per diffusione ad una
pressione di 300 atm e a una temperatura di 850-950 oC
Ci proponiamo di acquisire e ovepossibile migliorare questa
tecnologia per orasu piccole superfici (~1 cm2)
Scale-up a 5 x 5 cm2 realisticoG.N. Yushin et al. Wafer bonding of highly orienteddiamond to silicon, Diamond & Related Materials 13(2004) 1816–1821
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26 settembre 2006
Occorre portare la temperatura del processo a 1000 K(~750oC) per evitare stress di trazione al diamante policristallino
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0
1
2
3
4
5
200 600 1000 1400
diamante
silicio
α [10−6/Κ]Problemi da risolvere: Thermal mismatch
I difetti di saldatura con questa tecnica si presentano ai bordidi grano del diamante a temperature superiori a 950 oC
T [Κ]
26 settembre 2006
Strategie per migliorare la tecnica di waferbonding rispetto al recente stato dell’arte
Diminuzione della temperatura e aumento dellapressione esercitata/ aumento del tempo diprocesso
Trattamenti preliminari delle superfici(lappatura, parallelismo, pre-trattamentitermici)
Cicli di annealing a temperature intermedisaranno utilizzati per riportare la strutturaa temperatura ambiente, dove ilcoefficiente di dilatazione termica èdiverso per i due materiali di un fattore2.6.
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26 settembre 2006Secondo metodo: wafer bonding con
catalizzatore• Sinergia con il gruppo
Virgo di Perugia (L. Gammaitoni,H. Vocca)
• Esperienza consolidata dibonding SiO2-SiO2 (silicatebonding)
• Reallizati anche bonding Si-Zaffiro(Al2O3), Si-Si, Al2O3-Al2O3, Si-Al2O3 con varieorientazioni cristalline.
Fused silica wires saldati allospecchio di quarzo
(35 cm diam, 10 cm, 21 Kg)
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26 settembre 2006
E' un “incollaggio atomico” a pressione e temperatura normali,che utilizza un catalizzatore (in generale il KOH) per creare una
reazione tra le molecole del materiale e gli ioni OH-.
KOH
Si
O
Si
Si
O
Si
O O
OO
(1)
Si
O
Si
O H
Si OHO
HOO H
(3) Si
O
Si
O
O
(4)OSi
OSi
Si
O
Si O Si
O
O
Si
O
O
OO
Si
O
O
Si
O
O
O
Si
O
O
Si
O
O
O Si
O
Si(5)
Si
O
Si
OH-
OH-
K+
K+
(2) H3O+
OH-
Si vuole indagare l’utilizzo di taletecnica, cambiando il
catalizzatore (altre basi odacidi), per saldatura di Silicio con
Diamante.
Silicate bonding
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26 settembre 2006
Apparato UHV adalta pressione e alta
temperaturaproposto
(Descrizione schematica)
Sistema di spintaesterno
Soffietto UHV solidalecon il pistone interno
In grado di esercitare (almeno) 1000 atm su 25 mm2
Un successivo scale-up non comporta particolari problemi
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Schermo termicoallumina
Pistone e blocco di acciaio
Blocchi
riscaldati
SOD e buffermaterial (BN)
5 X 5 mm2
invito
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26 settembre 2006
Caratterizzazione dei campioni(prima) e dell’interfaccia
(dopo il processo)• Diffrazione X (orientazione cristallina,
stress residui)• Microscopia SEM, AFM,(morfologia
lucidatura) TEM (difetti cristallini)• Misura della conducibilità termica• Caratterizzazione elettrica interfaccia
26 settembre 2006
Preventivo proposto 2007
Firenze Perugia Totale
Apparato/messaa punto
Wafer-bonding
18 10 28
Preparazionecampioni e
caratterizazioniinterfaccia SOD
7 3 10
Totale 25 13 38
26 settembre 2006
Composizione del gruppo
• FirenzeAlessio Fossati, AR 100 %Stefano Lagomarsino, Ass 100 %Anna Macchiolo, AR. 20%Simone Paoletti, Ric. 20 %Giuliano Parrini, PA 30%Silvio Sciortino Ric. 50%
3.2 FTE
• PerugiaMancarella Fulvio, AR 40 %Moscatelli Francesco, AR. 70 %Andrea Scorzoni, PA 100%
2.1 FTE
Collaborazione esternaLuca GammaitoniHelios Vocca (Gruppo Virgo Pg)
26 settembre 2006
Conclusioni• La proposta è stata riformulata PER UN
ANNO con preventivo ridotto al 50%Focalizzata sulla realizzazione del
materiale composito• Formulazione e discussione del proseguimento
SJ al risultato raggiunto
26 settembre 2006
Esempio di PIXEL -SOI (130x130 µm2)
Detector FZ
>4kΩ cm , 300 µm
Elettronica
~10 Ω cm
1.5 µm isolante
Realizzati blocchi di 128 × 128 canali
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26 settembre 2006
Highly Oriented Diamond
Van der Drift evolutionary selection
thickness of 15 µm.
S.K. Han et al. / Diamond and Related Materials 9(2000) 1008–1012
26 settembre 2006
Definiamo la Charge Collection Distance come ilprodotto dell'efficienza di raccolta
η=Q/Q0 per lo spessore del materiale Wd=η×W
dove Q è la carica misurata e Q0 è la carica prodottaall'interno del rivelatore:
Si=89 coppie e-h/µmD=36 coppie e-h/µm
• d è la distanza media percorsa dai portatori prima chesiano (i) intrappolati, (ii) che si ricombinino, (iii) cheraggiungano gli elettrodi.
Charge Collection Distance
26 settembre 2006
Diamante come rivelatore• Bassa capacità, costante dielettrica metà di
quella del silicio• Alta velocità dei portatori: 2 10 7 cm/s a 1 V/µm(Diamond detectors with subnanosecond time resolution for heavy
ion spill diagnostics, E. Berdermann GSI Darmstadt)• Alta tolleranza da radiazione: operativo fino a
2 1016/cm2
Limitato nelle prestazioni dalla natura policristallina(pCDV)Il diamante singolo cristallo (scCVD) è attualmenteprodotto con un area massima di 1.4 x 1.4 cm2 (DeBeers)
26 settembre 2006
rn !=
Low capacitance εr =5.7up to a frequency of 3500 GHzabout half that of silicon
Diamond properties
From: Diamond Material gmbH
High mobility (at 1 V/µm)Holes: 2064 cm2 /V sElectrons: 1714 cm2 /V s
High drift velocity (at 1 V/µm)Holes: 0.96 107 cm/ sElectrons: 1.41 107 cm/ s
H. Pernegger, S. Roe, P.Weilhammer et al.J. Appl. Phys. 97, 073704 (2005)
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36 pairs/mm generated by MIPsCharge Collection Distance:
[ ]36
electrons of# m CCD =µ
0 10000 20000 30000
0
1000
2000
3000
4000
5000
Co
un
ts
# electrons
Deconvoluted Landau
0 20 40 60 800
2000
4000
6000
8000
10000
12000
# e
lect
ron
s
T [ o C ]
CCD=260 µm
We have demonstrated Operation up to 80 oC
5 % lossin 80 oC
26 settembre 2006
Very low leakage currentsThermallyStimulatedCurrents
on neutronirradiatedpolyCVDdiamondS. Miglio
Dept. EnergeticsFlorence
Diploma Thesis
Sample UTS1: 5×5 mm2
Leakage currente less than 1pA at 300 KAnd lowers after neutron irradiation!
26 settembre 2006
CCD e Spessore (polycrystalline)
I punti blu rappresentano il campione in cui viene gradualmenterimosso materiale difettoso, quelli rossi il procedimentoinverso, in cui viene rimosso il materiale dal lato di crescita
80 µm
2500 e-
26 settembre 2006
Status of Experiments on CVD Diamond DetectorsHarris Kagan, Ohio State
University RESMDD 2004, October 10-13, 2004 - Florence, Italy
Riproducibilità
Valore std 2006300 µm
26 settembre 2006
La CCD del diamante decade ad 1/e dopo 1.25 1016 p/cm2
Il diamante può quindi operare dopo fluenze di adronipari a 2 1016 /cm2 a T ambiente, a relativamente bassa
tensione (1V/µm)
Radiation Hardness pCVD
26 settembre 2006
Recente prototipo di Pixel detector basato
su polycrystalline CVD diamondW. Adam et al. / Nuclear Instruments and Methods in Physics ResearchA 565 (2006) 278–283
2 x 6 cm2
x
y
pixel pitch 50 µm (direzione y), lunghezza400 µm (direzione x),
26 settembre 2006
Diamond pixel detector• elettronica utilizzata: ATLAS IBM 0.25 µm• Beam test a DESY (2005)• Rumore 136 e-, soglia 1350 e-• Efficienza: 98 % rispetto al telescopio di
riferimento• risoluzione: 23 mm lungo in direzione y
(contro 37 µm del Si quando misurato a Desy)
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26 settembre 2006
• Il SOD è stato realizzato con crescita eteroepitassiale(highly oriented diamond, HOD) di diamante su silicio,e capovolgendo il materiale (Articolo citato)
Il substrato diventa lo strato di silicio del SOD
Lo heat-spreader (diamante) viene saldato allo heat sink (rame)
26 settembre 2006
Costo attuale delthermal-grade
diamond50 $/cm2
(in ulteriorediminuzione)
www.sp3inc.com
$/mm2
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