Как сделать продвинутую полупроводниковую пластину

Обновлено: 07.07.2024

ДИСКОВАЯ РЕЗКА / ЛАЗЕРНОЕ УПРАВЛЯЕМОЕ ТЕРМОРАСКАЛЫВАНИЕ / ОРГАНИЧЕСКИЕ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЕ ДИОДЫ (ОСИД) / ОСИД МИКРОДИСПЛЕИ / КРЕМНИЙ / КРЕМНИЕВЫЕ ПОДЛОЖКИ / РАЗРЕЗАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРНЫХ ПЛАСТИН НА КРИСТАЛЛЫ / ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ / СКОЛЫ / ШЕРОХОВАТОСТЬ ПОВЕРХНОСТИ / ORGANIC LIGHT-EMITTING DIODES (OLED) / DICING / LASER CONTROLLED THERMOCRACKING / OLED MICRODISPLAYS / SILICON / SILICON WAFERS / CUTTING SILICON DEVICE WAFERS INTO CHIPS / RATING OF MERIT THE SURFACE / CHIPPING / SURFACE ROUGHNESS

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Иванов Владимир Игоревич

Требования к высокой точности и улучшению качества обработки поверхности и спрос на производство микродисплеев на органических светоизлучающих диодах (ОСИД) с низким уровнем потребительской стоимости подразумевает необходимость рассмотрения эффективных методов резки кремниевых приборных пластин. В данной работе рассмотрены высокоэффективные технологические процессы прецизионной сквозной резки кремниевых приборных пластин в производстве микродисплеев на органических светоизлучающих диодах. Эти техпроцессы являются контролируемыми и имеют менее агрессивные режимы в отличие от других механических и лазерных методов, таких как механическое скрайбирование, лазерное скрайбирование и лазерная резка. В работе используются установка дисковой резки ADT-7100 ProVectus (Израиль) и лазерная установка РТ-350 (Россия), которая базируется на применении метода лазерного управляемого термораскалывания . Рассматриваются различные типы дисковых лезвий и режимы данных установок для разрезания полупроводниковых приборных пластин на кристаллы . Приводятся и сравниваются данные по оценке качества поверхностей чипов после лазерного управляемого термораскалывания и дисковой резки , а именно наличие и размер сколов , а также шероховатость поверхностей . В работе автором впервые обосновывается и экспериментально доказывается возможность и эффективность применения сквозной дисковой резки и метода лазерного управляемого термораскалывания в ОСИД технологии.

Techniques for cutting silicon device wafers into chips in the production of OLED microdisplays

Requirements for high precision and improvement surface finish and the demand for the production of microdisplays based on organic light emitting diodes (OLED) with low user value mean the necessity of considering effective techniques for cutting silicon device wafers. In this paper, we consider high-efficiency processes precision through cutting silicon device wafers into chips in the production of microdisplays based on organic light emitting diodes. These technical processes are controlled and have less aggressive modes unlike other mechanical and laser methods, such as mechanical scribing, laser scribing and laser cutting. The article uses a dicing system ADT-7100 ProVectus (Israel) and laser system RT-350 (Russia), which based on the method of laser controlled thermocracking . Discusses the various types of disc blades and conditions of experiments for these systems for cutting semiconductor device wafers into chips. Presented and compared to data for rating of merit the surfaces of chips after the laser controlled thermocracking and dicing , namely the availability and size of the chipping , as well as surface roughness . In this paper substantiates and experimentally proved possibility and efficiency of using through dicing and laser controlled thermocracking methods in OLED technology.

Иванов Владимир Игоревич

Методы резки кремниевых приборных пластин на чипы в производстве органических микродисплеев

Аннотация. Требования к высокой точности и улучшению качества обработки поверхности и спрос на производство микродисплеев на органических светоизлучающих диодах (ОСИД) с низким уровнем потребительской стоимости подразумевает необходимость рассмотрения эффективных методов резки кремниевых приборных пластин. В данной работе рассмотрены высокоэффективные технологические процессы прецизионной сквозной резки кремниевых приборных пластин в производстве микродисплеев на органических светоизлучающих диодах. Эти техпроцессы являются контролируемыми и имеют менее агрессивные режимы в отличие от других механических и лазерных методов, таких как механическое скрайбирование, лазерное скрайбирование и лазерная резка. В работе используются установка дисковой резки ADT-7100 ProVectus (Израиль) и лазерная установка РТ-350 (Россия), которая базируется на применении метода лазерного управляемого термораскалывания. Рассматриваются различные типы дисковых лезвий и режимы данных установок для разрезания полупроводниковых приборных пластин на кристаллы. Приводятся и сравниваются данные по оценке качества поверхностей чипов после лазерного управляемого термораскалывания и дисковой резки, а именно наличие и размер сколов, а также шероховатость поверхностей. В работе автором впервые обосновывается и экспериментально доказывается возможность и эффективность применения сквозной дисковой резки и метода лазерного управляемого термораскалывания в ОСИД технологии.

Ключевые слова: дисковая резка; лазерное управляемое термораскалывание; органические светоизлучающие диоды (ОСИД); ОСИД микродисплеи; кремний; кремниевые подложки; разрезание полупроводниковых приборных пластин на кристаллы; оценка качества поверхности; сколы; шероховатость поверхности.

Идентификационный номер статьи в журнале 87ТУЫ414

107076, г. Москва, ул. Стромынка, д.20

После открытия электролюминесценции в органических материалах в начале 1950-х гг. и развития разработок проводящих органических полимеров с 2000 г. началось создание органических светоизлучающих диодов (Organic Light Emission Diode - OLED или ОСИД). Для их создания используются тонкопленочные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких органических полимеров, имеющих разные назначения, такие как - эмиссия, инжекция и транспортировка дырок и электронов, изоляция, разделение [1]. Наряду с этим возникла и интенсивно развивается новая область электронной техники, связанная с миниатюрными устройствами отображения информации - микродисплеями. Технология создания средств отображения информации на основе ОСИД является новейшей технологией, технологией, идущей на смену существующим сегодня. В настоящее время органические светодиоды изготавливаются на основе двух типов материалов: низкомолекулярные органические материалы и полимерные материалы. Наиболее отработанной является технология изготовления органических светодиодов и изделий на их основе с использованием низкомолекулярных органических материалов [2]. Технология ОСИД даёт преимущество в получении чёткого и контрастного изображения 1000:1 и более, ОСИД микродисплеи имеют меньшую потребляемую мощность, угол обзора до 170°, лучшее качество цветопередачи, а также лучшие масса-габаритные показатели: размер области отображения 12,78 мм х 9 мм; габаритные размеры 19,78 мм х 15,2 мм х 5 мм (рис. 1).

Рис. 1. Фотографии микродисплеев (а) и размеры чипа (б) Составлено автором

Операция резки стеклянных и кремниевых подложек в технологическом процессе изготовления ОСИД дисплеев достаточно хорошо изучена, исходя из технологии изготовления ЖК-дисплеев. Однако при разработке технологического процесса резки приборных пластин для ОСИД дисплеев необходимо учитывать специфику ОСИД структур. Структуры ОСИД начинают деградировать при длительном воздействии температуры свыше +90 °С (а кремний обладает колоссальной теплопроводностью), а также при воздействии кислорода и воды, они чувствительны к вибрациям, поскольку толщина некоторых органических слоев всего несколько ангстрем, а защитные слои оксида алюминия напротив имеют толщины более 700 нанометров и, как правило, имеют собственные локальные напряжения, обусловленные дефектами, на которых тоже может сказаться вибрация (рис. 3).

Рис. 3. Виды деградации ОСИД структур: воздействие температур свыше 100 °С (а); воздействие кислорода и воды (б); собственные напряжения и вибрации (в)

Необходимость резки возникает на следующих операциях:

а) Резка защитного стекла для вскрытия контактных площадок.

• крышка и подложка должны быть близки по физическим характеристикам;

• установка должна обеспечить резку подложек 0 200 мм;

• ширина реза с учетом сколов должна быть не более 300 мкм;

• установка должна обеспечивать ровные поверхности реза, не требующие дополнительной механической обработки;

• вибрации, возникающие в зоне резки, не должны ухудшать адгезию компаунда к крышке и подложке;

• точность позиционирования линии реза не должна превышать ± 10 мкм.

При применении метода механического скрайбирования следует учитывать такой критерий как коэффициент концентрации напряжений к для определения максимального напряжения изгиба на поверхности за счет приложенного изгибающего момента, который можно рассчитать по формуле:

к = (0.355^ - й) / г) + 0.85)/2 + 0.08, (1)

где г - размер алмазного зерна; ё - глубина реза; ^ - толщина подложки.

Из формулы (1) видно, что чем толще подложка, тем требуется большее напряжение изгиба. Чтобы уменьшить требуемое напряжение изгиба можно увеличить глубину реза, но в этом случае возможен неконтролируемый раскол материала из-за увеличения давления на инструмент для скрайбирования, либо увеличить размер алмазного зерна, но это в свою очередь ухудшит качество кромок чипов и их механическую прочность. Использовать механическое скрайбирование, как и лазерное скрайбирование при такой толщине подложек

В целом метод механического скрайбирования кремниевых полупроводниковых пластин [3] не изменился на протяжении последних лет. Лазерные методы скрайбирования и резки кремниевых пластин на кристаллы применяются на протяжении последних нескольких лет - и это развивающиеся методы. По мере того как пластины становятся тоньше, а лазеры дешевле и мощнее, их эксплуатационные преимущества резко возрастают. Лазерная обработка кремния была исследована в ряде лазерных систем с различными длинами волн [4, 5], шириной импульса (от фемтосекундного [6] и пикосекундного [7] режимов до наносекундного [8]) и уровнями мощности. Тем не менее ни в одной из выше указанных работ не упоминалось о резке приборных пластин толщиной свыше 200 мкм. Как правило, чем шире длительность импульсов и больше длина волны, тем выше скорость резания из-за увеличения распределения энергии в кремнии. Однако, эти же качества, которые увеличивают глубину абляции на каждый импульс, также приводят к процессу, который более подвержен тепловым влияниям, таким как плавление, растрескивание, аморфизация и накопление остаточного действующего напряжения. В случае разделения кремниевых пластин на чипы, эти повышенные тепловые влияния вообще приводят к снижению прочности чипа и могут увеличить повреждения тонких пленок и чувствительной электроники на чипе. Кроме того, большая длина волны не способна достигнуть требуемой ширины пропила.

Исследование процесса дисковой резки

Недостатком резки диском с наружной алмазной режущей кромкой является невысокая жесткость инструмента, зависящая в основном от соотношения его размеров (толщины и внешнего диаметра). Стойкость G алмазных дисков связана с основными технологическими факторами соотношением:

где Кт - коэффициент, характеризующий материал; Ж - количество оборотов; Урез -скорость резки; т, п- постоянные величины.

Один из путей повышения жесткости инструмента - увеличение скорости его вращения. Возникающие при этом центробежные силы, направляющие режущий диск по

своему же радиусу, придают ему дополнительную жесткость, однако при большом числе оборотов (свыше 20000 об/мин) возникают вибрации режущей кромки диска и вследствие усиления гидромеханических процессов возрастает величина сколов в зоне реза. Другой путь увеличения жесткости - это применение более толстой основы режущего диска, однако при этом получается большая ширина пропила, также увеличиваются потери полупроводникового материала.

Образцы перед процессом резки были зафиксированы на УФ-ленты Adwill D-510T. Чтобы отсоединить порезанные чипы от УФ-ленты, она облучается УФ-излучением X = 365 нм в течение 90 секунд.

Оптимальная скорость подачи для стекла лезвием 4S030-F617-090-MG2 составила 4 мм/с при скорости вращения шпинделя 20000 оборотов в минуту, а лезвием 130.900М скорость подачи составила 1 мм/с в виду того, что при 2 мм/с сколы увеличились в размере в среднем на 5 мкм из-за вибраций режущей кромки, скорость вращения шпинделя оставалась постоянной в 15000 оборотов в минуту.

Резка кремния производилась лезвием 4B776-30B1-030-APT со скоростью подачи 4 мм/с при вращении шпинделя в 40000 оборотов в минуту и лезвием 80.1700Е при изменении таких параметров как скорость подачи с 1 мм/с до 3 мм/с и вращение шпинделя с 30000 до 50000 оборотов в минуту. Оптимальная скорость подачи для лезвия 80.1700Е составила 3 мм/с при вращении шпинделя в 50000 оборотов в минуту, в виду того что при других значениях скоростей подачи и вращений шпинделя сколы увеличивались в размере.

130.900М, 4B776-30B1-030-APT и 80.1700Е.

Минимум Максимум Среднее значение Среднее отклонение Стандартное отклонение

4S030-F617-090-MG2 Сколы на внешней стороне (стекло), мкм 28 39 33,8 3,2 3,8 130.900М 15 26 21,5 2,8 3,4

4B776-30B1-030-APT Сколы на обратной стороне (кремний), мкм 30 45 39,8 3,2 4,4 80.1700Е 25 35 29,8 3,4 3,9

Визуальная оценка качества поверхностей чипов после ступенчатой дисковой резки производилась при помощи оптического микроскопа модели PSM - 1000 фирмы Motic (Китай), фотографии представлены на рисунке 4.

Рис. 4. Фотографии подложки после ступенчатой дисковой резки: внешняя сторона, вид сверху, 20х (а); обратная сторона, вид снизу, 10х (б); профиль, 5х (в)

Изготовление кремниевых подложек

Изготовление микросхем начинается с изготовления подложки. Подложка представляет собой тонкую круглую пластину из полупроводника (кремний или германий высочайшей чистоты), изготавливаемую методом Чохральского [1, 2, 3]:

В ёмкость (тигель) с расплавленным кремнием (температура плавления 1414°С) вводится подвешенный затравочный кристалл кремния и нагревается в ней. Затем начинается процесс вытягивания затравочного кристалла в холодную зону вверх (кристалл при этом вращают). При вытягивании кремний принимает форму круглого стержня: в самом начале его диаметр составляет несколько мм, а затем, за счёт снижения температуры и скорости вытягивания, диаметр увеличивают до необходимой величины.

После процесса вытягивания полученный круглый стержень необходимой длины алмазными дисками нарезают на круглые пластины, которые затем полируют, вытравливают и чистят, чтобы их поверхность стала зеркально чистой.

Вот так выглядят круглые монокристаллы кремния после процесса вытягивания. Эти монокристаллы нарезают на тонкие пластины, которые затем полируют до зеркального блеска. Фотография SUMCO (источник [3])

Процесс изготовления монокристаллического кремниевого стержня показан на изображении:

Полупроводниковые пластины росли в размерах. Если в 60-х годах их размер составлял 10 мм, то сейчас производители микросхем активно работают с пластинами диаметром 150, 200 и 300 мм, хотя уже существуют и 450-миллиметровые [4]. Возможны и большие размеры (например, 1000 мм), но их создание вызывает некоторые трудности, такие как вытягивание кристаллов, изменение технологии нарезания и т.д.

И пластины (silicon wafer) , и стержни (silicon ingot) можно запросто купить в Китае 🙂 , так что если решите проектировать микросхемы - ничто Вам не помешает, материал есть в продаже 😉

Таким образом, пластина, получаемая из монокристаллического кремниевого стержня круглая, поскольку в процессе её изготовления затравочный кристалл вращается, то есть таковы особенности изготовления кремниевых пластин.

Но почему микросхемы квадратные?

Задайте себе вопрос: какими фигурами нужно заполнить (замостить) площадь круга, чтобы максимально её использовать?

Предположим, что мы владеем технологией создания круглых микросхем. Примем, например, площадь одной микросхемы, равной 491 мм² (тогда диаметр круга одной микросхемы равен 25 мм) и поместим наибольшее их количество на 300-миллиметровую кремниевую пластину.

А теперь возьмём квадратную микросхему с такой же площадью 491 мм² (соответственно, сторона чипа будет равна √491 = 22.16 мм) и тоже разместим как можно большее их количество на300-миллиметровой кремниевой пластине.

Что же у нас получилось? Смотрим на рисунке:

Разместил на одной 300-миллиметровой пластине наибольшее количество круглых микросхем, а на другой - наибольшее количество квадратных. Площади и круглой, и квадратной микросхемы одинаковы и составляют 491 мм². Заштриховал площади целых микросхем.

На круглой кремниевой пластине поместилось 107 микросхем, а на квадратной - целых 116.

Использование пластины при замощении круглыми микросхемами составляет 74.33%, при замощении квадратными - 80.58%

Понятно, что квадратные микросхемы одерживают безоговорочную победу, так как использовать пластину нужно по максимуму .

Однако, крайне важен ещё один факт: разрезать пластину на квадраты гораздо проще, чем вырезать в ней круги .

И, конечно же, не стоит забывать о формах транзисторов, вытравливаемых на кристалле: они либо прямоугольные, либо квадратные. Поэтому, если вытравливать их на круглой микросхеме, то потеряется полезное пространство.

Вот именно поэтому кремниевые пластины круглые, а микросхемы (чипы) - квадратные.

В современных микроэлектронных изделиях и технологиях их производства, в частности при производстве смарт-карт, при монтаже пластины на пластину или кристалла на кристалл, используются особо тонкие пластины, толщина которых не превышает 100 мкм (Рис.1 Ультратонкая пластина). Получение пластин такой толщины обычно сопровождается большим процентом дефектов. С целью снижения стоимости производства, улучшения качества кристалла и пластины компания Accretech, Япония (мировой лидер в производстве оборудования для зондового контроля пластин, дисковой резки и шлифовки пластин) разработала новую технология утонения пластин, сочетающую в себе шлифовку и полировку пластины. При этом пластина все время остается на одном и том же рабочем столике (держателе), что значительно снижает риск ее повреждения.

Изначально для обработки обратной стороны кремниевых пластин использовалась шлифовка с помощью абразивных материалов. Но уже со второй половины 1970-х появились тенденции уменьшения толщины пластины, а методы шлифования, соответственно, были вынуждены меняться.

В существующих на сегодня методах утонения применяются грубое и тонкое шлифование, а также травление (сухое или мокрое) с целью получения гладкой поверхности. Одним из недостатков тонких пластин является их хрупкость при изгибе и, как следствие, излом.

Рис.1 Ультратонкая пластина

После абразивной обработки (шлифовки) пластины на ее поверхности остаются микроповреждения (микротрещины) (Рис.2 Поперечное сечение отшлифованной пластины). Уровень шершавости и величина повреждения напрямую зависят от величины зерна алмаза, поэтому после шлифовки алмазом, размером 4-8 мкм, толщина поврежденного слоя 2-3 мкм. Конечно, такая толщина кажется ничтожной, по сравнению с общей толщиной пластины, но именно такие повреждения становятся причиной изгиба, появления трещин и разлома пластины.

В рельефном слое, созданном в результате шлифовки, в бугорках и трещинах оседает пыль. Микротрещинки проникают глубже, в приповерхностный слой. Это значит, что для обеспечения ровной пластины придется снять еще некоторый слой пластины (≈1 мкм), в особых же случаях может потребоваться удаление каждой трещины.

Рис.2 Поперечное сечение отшлифованной пластины
I Зона неупругой деформации (“сетка дислокаций”).
II Микротрещины.
III Дорожка после шлифовки.
IV Рельефный слой (0,5-1,0 мкм).
V Приповерхностный слой (1,0-2,0 мкм).
VI Основной материал.

Рис. 3 Утонение методом кислотного травления
I Установка шлифовки обратной стороны.
I.I Грубая шлифовка.
I.II Тонкая шлифовка.
II Установка травления (HF/HNO₃/H₂SiO4)
III Критический момент для пластины создаётся при её переносе.
IV Минимальная толщина пластины 120-150 мкм.

Новая технология производства ультратонких пластин совсем недавно была представлена рынку, технология осуществляется на оборудовании компании Accretech. Технология подразумевает под собой тонкую полировку для удаления микроповреждений без применения химических реагентов.

Процесс полировки в принципе подобен используемым в настоящее время методам шлифовки. Полирующее вещество подается на вращающийся диск с прикрепленными к нему мягкими площадками, диск прижимается к полируемой пластине, удерживаемой на держателе. Этот метод объединяет в себе химический и механический процессы, проходящие на уровне молекул и атомов. В качестве полировального раствора используется коллоидный раствор оксида кремния в гидроксиде аммония (NH4OH), который обычно смешивается с деионизированной водой в соотношении 1:20. Размер частиц обычно не превышает 100 нм.

Цель полирования кремниевой пластины – добиться абсолютно гладкой поверхности. После процесса полирования на поверхности не должно оставаться никаких загрязнений или трещин, что и показывает проверка электронным микроскопом (Рис.4 Поперечное сечение отполированной пластины после снятия 2 мкм). Это означает, что процесс полировки в своей основе отличается от процесса шлифовки, после него не образуются хрупкие поверхности, следовательно, его можно считать безопасным способом.

Рис.4 Поперечное сечение отполированной пластины после снятия 2 мкм

Оборудование компании Accretech позволяет выполнять полировку ультратонких пластин, при этом оборудование компании позволяет выполнять несколько процессов на одной установке – грубая шлифовка, тонкая шлифовка, полировка и очистка пластины, при этом пластина на протяжении всего процесса остается на одном держателе. Благодаря этому снижается риск поломки пластин, а толщина пластин может доходить до 30 мкм и менее.

Рис. 5 Установка PG200

Установка модели PG200 позволяет выполнять шлифовку и полировку пластин, сочетая два процесса в одной установке (Рис. 5 Установка PG200). Основой системы является вращающийся столик с 4 держателями. По завершении одного из этапов столик поворачивается на 90 градусов, тем самым перенося пластину на следующий этап. Последовательность этапов следующая: столик загрузки/разгрузки, этап грубой шлифовки, этап тонкой шлифовки, этап полировки, столик загрузки/разгрузки. В течение всего процесса ведется мониторинг пластины, чтобы обеспечить требуемую толщину и однородность, кроме этого отслеживаются все остальные параметры, а система регулирует температуру и движение диска.

Система PG200 выгодно отличается малой занимаемой площадью. Еще одним преимуществом машины является тот факт, что в ней не используются опасные химические реагенты, т.е. система не несет никакой опасности для окружающей среды.

Получите подробную информацию о технических характеристиках, ценах и условиях поставки оборудования, направив официальный запрос с сайта.

Изготавливается из монокристаллов германия, кремния, карбида кремния, арсенида и фосфида галлия и других полупроводниковых материалов.

Представляет собой тонкую (250—1000 мкм) пластину диаметром в современных технологических процессах до 450 мм, на поверхности которой с помощью операций планарной технологии формируется массив дискретных полупроводниковых приборов или интегральных схем.

После создания массива необходимых полупроводниковых структур пластину после надсечки по линиям разлома алмазным инструментом разламывают на отдельные кристаллы (чипы).

Промышленный выпуск полупроводниковых пластин имеет существенное значение для производства интегральных микросхем и полупроводниковых приборов.

Читайте также:

Как сделать продвинутую полупроводниковую пластину

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Иванов Владимир Игоревич

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Иванов Владимир Игоревич

Techniques for cutting silicon device wafers into chips in the production of OLED microdisplays

Изготовление кремниевых подложек

Но почему микросхемы квадратные?