Разделение полупроводниковых пластин на кристаллы
Разделение полупроводниковых пластин на кристаллы — этап технологического процесса в электронной промышленности. Разделение полупроводниковых пластин на отдельные кристаллы производится одним из двух основных способов:
- скрайбированием (надрезанием) и последующим разламыванием;
- сквозным разрезанием: за один проход пластину прорезают режущим инструментом (например, алмазным диском или проволокой), что позволяет разрезать пластину толщиной до 1 мм и диаметром 100—150 мм со скоростью до 150 мм/с, на глубину 300 мкм и более.
Скрайбирование[править | править код]
Скрайбирование заключается в нанесении рисок на поверхность пластины в двух взаимно перпендикулярных направлениях алмазным резцом, диском, проволокой или лазерным лучом. Под рисками образуются напряжённые области, по которым происходит разлом пластины после приложения к ней механического воздействия.
Скрайбирование механическим способом[править | править код]
В случае резки пластины резцом в отечественном производстве применялись резцы с алмазным наконечником, с рабочей частью в виде: трёхгранной пирамиды — для резки пластин толщиной от 100 до 250 мкм из германия; четырёхгранной пирамиды с острой вершиной — для резки пластин толщиной от 250 до 500 мкм из кремния; четырёхгранной усечённой пирамиды — для резки пластин одной из четырёх заострённых граней.
При резке на кристаллы пластин кремния и германия толщиной 125 мкм минимальный шаг резки составлял 0,4 и 0,5 мм для кремния и германия, соответственно, нагрузка резца на пластину — 0,5 и 0,1 Н, соответственно, при скорости нанесения рисок 0,025 и 0,03 м/мин, соответственно. Глубина рисок после одного хода алмазной резки — 7 мкм, для обеспечения удовлетворительного качества разламывания после резки глубина реза должна быть не менее 2/3 исходной толщины пластины.
При скрайбировании большу́ю роль играет соотношение ширины кристаллов и толщины разрезаемой пластины. Оптимальным считается отношение ширины (длины) кристалла и толщины пластины 6:1, минимум — 4:1. Если толщина пластины становится соизмеримой с шириной (длиной) отрезаемого кристалла, то излом пластины после скрайбирования происходит в произвольном направлении.
Скрайбирование лазером[править | править код]
Для скрайбирования также применяют энергию лазерного излучения — скрайберные риски создаются испарением полупроводникового материала с поверхности пластины при её перемещении относительно сфокусированного лазерного пучка, имеющего большую мощность излучения. При испарении полупроводникового материала, которое происходит при высокой температуре, в ослабленном канавкой сечении пластины возникают термические напряжения, а сама канавка, являясь узкой (до 25—40 мкм) и глубокой (до 50—100 мкм) по форме, выполняет роль концентратора механических напряжений. Наряду с созданием глубокой разделительной канавки, вследствие отсутствия механического воздействия на рабочей поверхности пластины не образуются микротрещины и сколы, что позволяет поднять скорость скрайбирования до 200 мм/с и выше. Защита и очистка пластины от конденсатов полупроводникового материала обеспечивается:
- продувкой зоны обработки воздухом;
- размещением над пластиной прозрачной эластичной ленты, обладающей хорошей адгезией к глобулам испаренного материала и предотвращении их осаждения на поверхность пластины;
- нанесением плёночного покрытия, например органическим фоторезистом, который потом удаляют.
Возможно также лазерное скрайбирование без удаления материала с поверхности пластины, т. н. «скрытое скрайбирование», и в настоящее время этот метод практически вытеснил испарительный[2]. Для этого применяется ИК-лазер на неодим-иттриевом гранате (Nd:YAG), для длины волны которого кремний (наиболее популярный полупроводник) является полупрозрачным, причём поглощение довольно велико[3]. Короткие импульсы высокой мощности фокусируются в глубине пластины, так, что её материал расплавляется и быстро перекристаллизуется в месте фокусировки, создавая зону напряжения. Несколько проходов лазера с разной глубиной фокусировки создают дорожку напряжённых зон в толще полупроводниковой пластины, по которой она затем легко разламывается.
Разламывание на отдельные кристаллы[править | править код]
Скрайбированную пластину разламывают:
- механически, приложив к ней изгибающий момент, пластину помещают рабочей поверхностью (скрайберными рисками) вниз на гибкую (например, из резины) опору и с небольшим усилием покатывают последовательно в двух перпендикулярных направлениях, параллельно направлениям скрайбирования, стальным, резиновым валиком диаметром 10—30 мм (или стальным (фторопластовым) клином (призмой) с небольшим радиусом скругления). Гибкая опора деформируется, пластина изгибается в месте нанесения риски и лопается по ним;
- с помощью ультразвука;
- термоударом — нагревом и последующим быстрым охлаждением;
- скрайбированные пластины помещают в конверт из пластичного материала, затем вакуумно-плотно закрывают и откачивают из него воздух — в результате чего возникает механическое воздействие и пластина разламывается.
Таким образом, разламывание происходит в две стадии: вначале на полоски, а затем на отдельные кристаллы. Чтобы полоски или кристаллы в процессе разламывания не смещались относительно друг друга (это может привести к произвольному разламыванию и царапанью кристаллов друг о друга), перед разламыванием пластину покрывают сверху эластичной плёнкой (полиэтиленовой, лавсановой), что позволяет сохранить ориентацию полосок и кристаллов в процессе разламывания. Для сохранения ориентации кристаллов для последующих операций (особенно это важно при автоматизированной сборке) иногда пластину перед разделением на кристаллы закрепляют на специальной подложке — спутнике. Кристаллы между операциями на спутнике закрепляют:
- на стеклянном спутнике — примораживанием;
- на пластмассовом — электростатическими силами;
- на тонкой эластичной плёнке — адгезивными составами. Адгезию слоя подбирают такой, чтобы при разломе кристалл прочно удерживался, а после — снимался без остатков адгезивного вещества.
Ввиду того, что вручную тяжело правильно подобрать необходимое усилие прижима, в современном процессе производства полупроводниковой продукции широко применяется техника и автоматизация. И хотя современное оборудование позволяет выдержать шаг скрайбирования с точностью до ±10 мкм, размеры готовых кристаллов после разламывания имеют значительный разброс, обусловленный влиянием кристаллографической ориентации пластин. При подготовке к сборке перед контролем кристалла его поверхность очищают от различных загрязнений. В технологическом плане более удобно провести эту очистку непосредственно после скрайбирования и перед разламыванием на кристаллы — отходы обработки в виде крошки могут стать причиной появления брака.
Сравнительная таблица[править | править код]
| Параметры | Метод разделения | ||
|---|---|---|---|
| скрайбирование алмазным резцом | скрайбирование лазерным лучом | резка диском | |
| Обрабатываемый материал | есть ограничения | любой | |
| Максимально возможная скорость обработки кремния, мм/с | 60 | 500 | 300 |
| Максимальная скорость, обеспечивающая нормальное качество разделения, мм/с | 25—60 | 200 | до 150 |
| Глубина реза, мкм | 1—5 | 50—170 | 10—500 |
| Ширина реза, мкм | 1—5 | 20—35 | 30—50 |
| Обработка пластины с окислом | не рекомендуется | легко осуществима | возможна |
| Качество граней кристалла | удовлетворительное | довольно хорошее | |
| Направление движения инструмента | одностороннее | двустороннее | возможно двустороннее |
| Требования к точности кристаллографической ориентации | жёсткие | умеренные | — |
| Загрязнение поверхности пластины продуктами отхода (крошка, испарения) | незначительное | весьма существенное | умеренное |
| Максимальный выход годных схем после разделения, % | 98 | 99,5 | |
См. также[править | править код]
Примечания[править | править код]
- ↑ M. Birkholz; K.-E. Ehwald; M. Kaynak; T. Semperowitsch; B. Holz; S. Nordhoff (2010). "Separation of extremely miniaturized medical sensors by IR laser dicing". J. Opto. Adv. Mat. 12: 479—483.
- ↑ Kumagai, M.; Uchiyama, N.; Ohmura, E.; Sugiura, R.; Atsumi, K.; Fukumitsu, K. (August 2007). "Advanced Dicing Technology for Semiconductor Wafer—Stealth Dicing". IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing. 20 (3): 259—265. doi:10.1109/TSM.2007.901849.
- ↑ E. Ohmura, F. Fukuyo, K. Fukumitsu and H. Morita (2006). "Internal modified layer formation mechanism into silicon with nanosecond laser". J. Achiev. Mat. Manuf. Eng. 17: 381—384.
{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (множественные имена: authors list) (ссылка)
Литература[править | править код]
- Готра З. Ю. Справочник по технологии микроэлектронных устройств. — Львов: Каменяр, 1986. — 287 с.
- Бер А. Ю., Минскер Ф. Е. Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. — М.: «Высшая школа», 1986. — 279 с.
 | Для улучшения этой статьи желательно:
|