Нарізання у виробництві

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Загальна характеристика методів розділення пластин та підкладок

При виготовленні інтегральних схем за планарною технологією використовують групові методи обробки, коли на одній пластині отримують десятки або сотні однотипних приладів. Перед зборкою їх в корпуси і герметизацією пластину необхідно розділити на окремі кристали розміром від 1x1 мм до 10x10 мм. Процес розділення пластин складається з скрайбування (надрізання) і розламування їх на кристали.

Алмазне скрайбування (табл. 1) довгий час було єдиним методом при розділенні пластин на кристали. Істотні його недоліки - великі (30-50 мкм) сколи по краях риски і форма поперечного перетину кристалів у вигляді паралелограма або трапеції з гострими кутами від 55° до 70°, незручна для роботи захватних пристроїв при автоматизованій зборці, а також невелика глибина риски, що не забезпечує якісне розламування товстих пластин. В даний час алмазне скрайбування залишилося тільки у вигляді лабораторного методу розділення пластин товщиною не більше 350 мкм.

Таблиця 1 - Методи скрайбування напівпровідникових пластин [5]

На зміну алмазному в 70-х роках прийшло лазерне скрайбування, при якому риски шириною 25-40 мкм і глибиною 50-100 мкм створювалася випаровуванням напівпровідникового матеріалу з поверхні пластин сфокусованим лазерним пучком і забезпечувала їх розламування з перпендикулярними робочій поверхні бічними гранями кристалів. Перевагою цього методу є висока продуктивність через відсутність механічної дії на напівпровідниковий матеріал. На поверхні пластин не утворюються сколи, що дозволяє збільшити швидкість скрайбування.

Лазерне скрайбування забезпечує якісне розламування пластин кремнію завтовшки до 400-450 мкм.

Для розділення пластин товщиною більше 450 мкм використовують дискове різання (табл. 2), при якому скрайберні риски наносяться за допомогою алмазного круга із зовнішньою ріжучою гранню на будь-яку глибину аж до крізного прорізання пластини. Ширина рисок залежить від товщини алмазної грані диска і складає 40-50 мкм. Отримані після розламування кристали мають вертикальні бічні грані майже по всій висоті.

Набір полотен товщиною 0,05-0,1 мкм, шириною 5-10 мм і розділові прокладки збирають в пакет, закріплюють в касеті, яка здійснює при різанні зворотно-поступальний рух з великою частотою від 400 до 600 рух. ход./хв, і розтягують в подовжньому напрямі. Різання здійснюється при подачі в зону обробки абразивної суспензії.

Таблиця 2 - Методи розрізання пластин та підкладок [4]

Вольфрамовий або сталевий дріт діаметром ~0,1 мм намотують на ролики, що обертаються, мають канавки з кроком, відповідним розмірам кристалів. Ролики закріплені в касеті, що здійснює зворотно-поступальний рух з частотою 700-1000 рух. ход./хв. Для збільшення терміну служби дріт перемотують за допомогою подаючої і приймальної котушок і одночасно натягують, пригальмовуючи подаючу котушку.

Перевагою різання напівпровідникових пластин на кристали дротом і полотнами є їх м'яка абразивна дія на оброблюваний матеріал, що дозволяє розрізати пластини з покриттями із золота, нікелю і інших матеріалів без їх відшарування, а недоліком - можливість обриву при зносі, що приводить до непоправного пошкодження пластини, що розрізається.

Ультразвукове різання напівпровідникових пластин здійснюється в результаті дії на зерна абразивної суспензії інструменту, що здійснює коливання з високою частотою (16-25 кГц) і руйнування цими зернами оброблюваної поверхні з високою інтенсивністю. При утворенні канавки її форма копіює форму і розміри інструменту. Завдяки цьому ультразвуковим методом можна вирізувати кристали складної конфігурації (круглі з глухими отворами, лунками і так далі).

Точність ультразвукової обробки залежить в основному від розміру зерен абразиву, ступеня зносу інструменту, глибини обробки, а також характеристики устаткування. [5]

2. Розділення пластин скрайбуванням

Термін «скрайбування» утворений від англійського слова «scribe» - риска, подряпина. Скрайбування полягає в нанесенні рисок на робочу поверхню пластини з готовими інтегральними схемами. Риски розташовують по міжсхемних доріжках в двох взаємно перпендикулярних напрямах. Застосовують різні методи скрайбування. [6]

2.1 Скрайбування алмазним різцем

пластина скрайбування алмазний напівпровідниковий

Скрайбування полягає в нанесенні рисок на робочу поверхню пластини з готовими інтегральними схемами алмазним різцем. Риски шириною 20-40 мкм та глибиною 10-15 мкм наносять в двох взаємно перпендикулярних напрямках по границям кристалів.

В установці для скрайбування (рис. 1) столик 1 з пластиною 2 здійснює зворотно-поступальні рухи відносно різця 4. При прямому ході різець наносить риску по всій довжині пластини. При зворотному ході різець припіднімається, пропускаючи столик з пластиною, а стіл 3 здійснює поперечну подачу на крок. Після нанесення всіх рисок в одному напрямку столик з пастиною повертають на 90° і наносять систему поперечних рисок. В процесі обробки пластина закріплена вакумним присосом.

Перед початком роботи за допомогою мікроскопа регулюють положення пластини так, щоб візирна лінія мікроскопа, яка відповідає напряму подовжнього переміщення столика, співпадала з границею між кристалами по всій довжині пластини. Також установлюють необхідний крок поперечної подачі стола і значення навантаження на різець. При скрайбуванні кремнієвих пластин товщиною 200 мкм навантаження складає 0,4-0,6 Н, а при товщині 300-400 мкм - 0,8-1,2 Н.

В якості ріжучого інструмента використовують різці у вигляді три або чотиригранної піраміди (рис. 2) з натурального або синтетичного алмазу.

Рисунок 1 - Схема установки скрайбування алмазним різцем [3]: 1 - столик з пластиною; 2 - пластина; 3 - стіл; 4 - алмазний різець

Рисунок 2 - Конструкція алмазних різців з ріжучою гранню у вигляді піраміди [2]: а - тригранної, б - чотиригранної, в - усіченої чотиригранної

Ріжучими елементами таких різців є ребра піраміди, які використовують послідовно. Середня стійкість ріжучого ребра (знос не більше 10-15 мкм) - 3500 зрізів. Наявність на платині окису кремнію або скла різко збільшує знос різця, тому на пластинах по границях кристалів доцільно передбачувати зону без покриття шириною 50-75 мкм. При стравлюванні з цих ділянок захисного покриття звичайно одночасно відкривають вікна в оксиді під металеві контакти.

Для скрайбування ситалових підкладок можна використовувати склорізи - різці для різання листового скла, ріжуча грань яких виконана у вигляді усіченої чотиригранної піраміди. Навантаження на різець в цьому випадку 1,5-2,5 Н. [3]

Велику роль при скрайбуванні грає відношення ширини кристалів і товщини пластини, яку розрізають. Вважається, що оптимальне співвідношення ширини (довжини) кристала і товщини пластини повинно бути 6:1, мінімум 4:1. Якщо товщина пластини стає співрозмірною з шириною (довжиною) кристала, то розламування пластини після скрайбування проходить в довільному напрямку. [2]

2.2 Скрайбування лазерним променем

Лазерне скрайбування засноване на взаємодії когерентного (направленого) монохроматичного, сфокусованого лазерного пучка з поверхнею напівпровідникового матеріалу. Для появи такої взаємодії випромінювання повинне мати певну довжину хвилі, близьку до смуги поглинання напівпровідникового матеріалу. В цьому випадку випромінювання поглинається і приводить до нагріву поверхні в області фокальної плями від лазерного пучка до температури випаровування матеріалу. Відбувається викид частинок з утворенням поглиблення (лунки) і одночасним оплавленням його країв.

При лазерному скрайбуванні потрібен захист робочої поверхні пластини від продуктів обробки - частинок випаровуваного і розплавленого напівпровідникового матеріалу, які осідають на цій поверхні з готовими ІМС і можуть бути причиною їх пошкодження. Пластини з арсеніду галію не можна скрайбувати лазерним методом, оскільки при випаровуванні утворюються шкідливі з'єднання миш'яку.

Для скрайбування використовують твердотільний лазер (оптичний квантовий генератор ОКГ), активний елемент якого виконаний з алюмоіттрієвого граната з домішкою неодиму (ОКГ: Nd), а довжина хвилі випромінювання складає л=1,06 мкм. Лазер працює в режимі модуляції добротності з тривалістю імпульсів порядка 100-500 нс. Кожен імпульс забезпечує формування лунки розміром, близьким діаметру фокальної плями. Для утворення скрайберної риски ці лунки повинні перекриватися. Коефіцієнт перекриття залежить від співвідношення частоти імпульсів і швидкості переміщення столика з пластиною. Пластину зазвичай закріплюють вакуумним притиском на столі установки. Швидкість скрайбування вибирають в межах від 100 до 200 мм/с. [4]

Серійна установка ЕМ-210 (мал. 3) складається з твердотільного ОКГ, розташованого у верхній частині корпусу 6, оптичної системи для фокусування лазерного випромінювання і візуального спостереження за процесом скрайбування з об'єктивом 2 і проектором 3, блоків управління з пультами 4 і 5 і механізму переміщення робочого столу, на якому встановлений вакуумний столик 1. Для зниження інерційності при швидкому переміщенні робочий стіл підвішений на магнітоповітряній подушці.

Робочий цикл при скрайбуванні включає подовжнє переміщення робочого столу в одному напрямі, поперечну подачу на крок і поворотне подовжнє переміщення. При цьому лазерне випромінювання взаємодіє з напівпровідниковою пластиною при кожному ході столу.

Поперечне переміщення столу може виконуватися з кроком від 0,01 мм до 9,99 мм з інтервалом через 0,01 мм. Накопичена помилка крокового переміщення столу не перевищує 25 мкм при його загальному ході, рівному 125 мм, по кожній координаті. При скрайбуванні напівпровідникових пластин на прямокутні кристали крок скрайбування повинен бути вибраний різним для кожної з координат. Максимальний діаметр скрайбуємої пластини 100 мм. Для поліпшення якості лазерного скрайбування передбачений режим багатократного скрайбування, при якому робочий стіл повторно переміщається по тій же траєкторії.

Рисунок 3 - Установка ЕМ-210 для лазерного скрайбування [5]

1- вакуумний столик;

2- об'єктив;

3- проектор;

4,5 - стаціонарний та виносний пульти керування;

6 - верхня частина корпуса з ОКГ

Перед лазерним скрайбуванням наносять захисну плівку на робочу поверхню напівпровідникових пластин, що розділяються, проводять настройку установки, вибирають режими скрайбування. Установка ЕМ-210 має пристрій для вакуумного відсмоктування продуктів лазерного скрайбування, а її об'єктив захищений змінним склом, на якому осідає частина розплавлених бризок. Проте робоча поверхня скрайбуємих пластин все ж таки виявляється сильно забрудненою продуктами обробки, тому для її захисту на центрифузі заздалегідь наносять шар натурального латексу (водного розчину каучуку), полівінілового спирту, поверхнево-активних речовин і так далі. Захисне покриття не повинне погіршувати якість скрайбування, забруднювати робочу поверхню пластини і повинно легко видалятися після скрайбування. Плівку латексу віддирають за допомогою липкої стрічки разом з продуктами скрайбування, інші захисні покриття видаляють гідромеханічним або ультразвуковим відмиванням.

Установку лазерного скрайбування настроюють таким чином: юстирують оптичну систему ОКГ, проводять фокусування пучка, виконують наладку механізму переміщення робочого столу і електронної системи управління, а при необхідності заміну ламп накачування ОКГ і заміну елементів електричних схем, що вийшли з ладу. Для даної установки довжина хвилі і потужність випромінювання, діаметр фокальної плями, частота проходження і тривалість імпульсів є постійними. До змінних режимів відносять швидкість скрайбування, крок поперечної подачі і число проходів. Вони визначають глибину отримуваної лазерної ризики, а їх вибір залежить від товщини пластини і розмірів кристалів. Зазвичай кремнієві пластини діаметром 76 мм і завтовшки ~380 мкм скрайбують за два проходи при робочій швидкості столу 120 мм/с, при цьому глибина риски повинна складати не менше 80 мкм. Пластини діаметром 100 мм, завтовшки ~460 мкм скрайбують при тій же швидкості, але за три проходи, отримуючи риску глибиною 100 мкм. Правильність вибору режимів визначають за якістю розламування після скрайбування пробних пластин. Контроль якості лазерного скрайбування здійснюють як в процесі його проведення, спостерігаючи на екрані проектора за формуванням риски, так і після закінчення візуально і під мікроскопом (перевіряють рівномірність ширини рисок, а при необхідності значення і рівномірність глибини на поперечному сколі пластин). Після видалення захисної плівки візуально контролюють відсутність її залишків на робочій поверхні проскрайбованних пластин.

На робочому місці оператора лазерного скрайбування повинен бути встановлений скафандр з витяжкою, в якому знаходиться центрифуга для нанесення захисного шару на робочу поверхню пластини, і повинні зберігатися змінний запас речовини, що наноситься, бюкса із спиртом і бавовняні серветки для протирання вакуумного столика скрайбера перед установкою пластин, а також рулон липкої стрічки. Поряд поміщають мікроскоп ММУ-3 з об'єктивом, що забезпечує 200-кратне збільшення, і струбциною для затиску смужки з лазерними рисками для контролю поперечного скола. [5]

2.3 Розламування пластин на кристали після скрайбування

Найбільш простим способом є розламування пластин на кристали валиком (рис. 3).

Рисунок 3 - Розламування напівпровідникової пластини валиком [2]: 1 - валик; 2 - захисна плівка; 3 - платина; 4 - гума

Щоб зламати пластину по скрайберним рискам, прикладають до неї вигинаюче зусилля. Для цього пластину поміщають робочою поверхнею (рисками) вниз на м'яку гнучку (з гуми) опору і з невеликим тиском прокатують її послідовно в двох взаємно перпендикулярних напрямках стальним валиком діаметром 10-30 мм. Гнучка опора деформується, пластина вигинається в місці нанесення рисок і ламається по ним. Таким чином, розламування проходить в дві стадії: спочатку на полоски, а потім на окремі прямокутні або квадратні кристали. Замість валика навантаження може бути прикланене стальним або фторопластовим клином (призмою) з невеликим радіусом заокруглення. Валик або клин повинні рухатись паралельно напряму скрайбування, інакше розламування буде проходити не по рискам. Брак може з'явитися в тому випадку, якщо полоски або кристали зміщуються один відносно одного в процесі ломки. Тому перед розламуванням пластини покривають зверху тонкою еластичною поліетиленовою плівкою або папером (целофаном, калькою), що дозволяє зберегти орієнтацію кристалів в процесі ломки і запобігти їх довільному розламуванню і нанесенню подряпин один одному. Зміщенню кристалів також можна запобігти, якщо помістити перед розламуванням в герметичний поліетиленовий пакет і відкачати з нього повітря. Якщо залишаються нерозділені кристали («двійники»), що видно при огляді пластини з неробочої сторони, їх обережно доламують спеціальною сферичною оправкою або пінцетом. [2]

Цей метод має низьку продуктивність, вимагає навику оператора в збереженні напряму і зусилля протування і характеризується низькою якістю ломки, після якої залишаються нерозламані кристали (двійники). Тому в даний час ручну ломку валиком використовують тільки в дрібносерійному виробництві і в лабораторних умовах. [5]

Більш досконалим є спосіб прокатування пластини між двома валиками (рис. 4), при якому забезпечується навантаження, пропорційне довжині скрайберної риски.

Пластину, розміщену рисками вгору, прокатують між двома циліндричними валиками - верхнім пружним (гумовим) і нижнім стальним. Для збереження початкової орієнтації кристалів пластину закріпляють на термопластичній або адгезійній плівці-носії і захищають її поверхню поліетиленовою або лавсановою плівкою. Відстань між валиками, яка визначається товщиною пластини, встановлюють переміщенням одного з них (звичайно нижнього).

При прокаті більш пружний валик в залежності від товщини пластини деформується і до неї прикладається навантаження, пропорційне площі їїпоперечногоперерізу або довжині скрайберної риски. Пластина вигинається і розламується по рискам спочатку на полоски, а після повороту на 90⁰ - на кристали.

Рисунок 4 - Розламування пластини прокатуванням між валиками [2]: 1 - пластина; 2 - пружний валик; 3 - захисна плівка; 4 - стальний валик; 5 - плівка носій

Рисунок 5 - Розламування пластини на сферичній опорі [2]: 1 - сферична опора; 2 - пластина; 3 - гумова діафрагма

При розламуванні на сферичній опорі (рис. 5) пластину, розташовану між двома тонкими пластичними плівками, поміщають рисками вниз на гумову діафрагму, підводять зверху випуклу лінзу (сферичну опору) і за допомогою діафрагми пневматичним або гідравлічним способом прижимають до неї пластину, яка розламується на окремі кристали. Перевагою цього способу є простота, висока продуктивність та одностадійність, а також досить висока якість, тому що кристали не зміщуються один відносно одного. [2]

Недоліками цього методу є неможливість розламування пластин діаметром більше 60 мм (їх краї кришаться при обляганні півсфери через не відповідність її периметра периметру пластини) і отримання кристалів прямокутної форми (із співвідношенням сторін більше 3:1). [5]

Відхилення розмірів кристалів від заданих залежить від точності нанесення риски і режимів розламування. Сучасне обладнання для скрайбування дозволяє витримувати крок скрайбування з високою точністю (до ±10 мкм), але після розламування розміри кристалів мають великий розкид, що пояснюється впливом кристалографічної орієнтації напівпровідникових пластин. [2]

У серійному виробництві для ломки пластин використовують напівавтомат ПЛП-3 (мал. 6), який призначений для розламування проскрайбованих напівпровідникових пластин діаметром до 150 мм із збереженням орієнтації кристалів на адгезійній плівці-носієві завтовшки 0,005-0,02 мм. Кристали отримують прямокутної форми з відношенням сторін до 3. У напівавтоматі змонтовані механізм ломкі 1 з валиками 4, блоки 7 (управління) і 8 (живлення), пульт управління 5 і мікроскоп 2. Там же розміщено три манометри, що показують тиск повітря в магістралі (не менше 2,5*10⁵ Па), пневмомережі напівавтомата і пневмоциліндрі прижиму валиків, стабілізатор тиску, що забезпечує створення необхідного зусилля розламування (від 100 до 1500 Н), і динамометр для його вимірювання. Напівавтомат має вакуумну магістраль з тиском не більше 0,6*10⁵ Па, підведену до рухомого вакуумного столика, який переміщає розламувану пластину до валиків. Щоб уникнути впровадження осколків кремнію в гумове покриття верхнього валика його поверхню захищають поліетиленовою плівкою, що перемотується з котушки 3 на інший ролик. Відпрацьовану плівку викидають.

Рисунок 6 - Схема установки ПЛП-3 для розламування пластин [5]: 1 - механізм розламування; 2 - мікроскоп; 3 - катушка; 4 - валики; 5,7 - пульт і блок управління; 6 - корпус; 8 - блок живлення

Для орієнтації пластини використовують мікроскоп, встановлений на напівавтоматі. Зусилля стиснення валиків підбирають експериментально, змінюючи товщину гумового покриття і діаметр металевих валиків, а також товщину транспортуючої стрічки. При цьому чим менше розмір кристалів і більше їх товщина, тим більше повинні бути зусилля стиснення. При правильно вибраних режимах кількість неподілених (здвоєних) кристалів на напівпровідниковій пластині після розламування не перевищує 2-3%.

Для збереження орієнтації кристалів після розламування пластину закріплюють неробочою стороною на плівці-носієві, що має форму круга діаметром на 20-30 мм більше діаметру пластини. Зверху липкий шар частини плівки-носія, що виходить за межі пластини, закривають кільцем з лавсанової плівки. Робочу сторону пластини закривають теж лавсановою плівкою з тонким шаром латексу, нанесеним на центрифузі. Таким чином пластина з усіх боків оточена плівкою.

З комплекту змінних частин встановлюють верхній валик з товщиною гумового покриття, відповідною кроку скрайбування пластини. Повертають барабан із сталевими валиками, переводячи в робочу позицію той, діаметр якого відповідає відношенню розмірів кристала до його товщини. Намотують захисну плівку на гумовий валик. Поміщають пластину на вакуумний столик і під мікроскопом орієнтують її так, щоб скрайберні риски були паралельні візирній лінії окуляра. Включають вакуумний прижим, і починається робочий цикл розламування в одному напрямі, а потім в перпендикулярному.

Візуально і під мікроскопом при 100-200-кратному збільшенні контролюють наявність неподілених кристалів, розламаних не по рисці, величину і кількість сколів від розламування, пошкодження металізації. Перспективним є контроль за допомогою лазерних проекційних мікроскопів з 1000-кратним збільшенням.

Робоче місце оператора розламування пластин на кристали повинне мати витяжну шафу з центрифугою для нанесення латексу на лавсанову плівку. На робочому столі необхідні запаси плівки з адгезійним шаром, липкої стрічки для захисту гумового валика від кремнієвої крихти, латексу і лавсанової плівки, бюкса з етиловим спиртом і бавовняні серветки для протирання робочої поверхні вакуумного столика, а також мікроскоп для контролю якості кристалів після ломки. [5]

Список літератури

1. Парфенов О.Д. Технология микросхем. - Москва: Высшая школа, 1986. - 464 с.

2. Бер А.Ю., Миксклер Ф.Е. Сборка полупроводниковых и интегральных микросхем. - Москва: Высшая школа, 1986. - 279 с.

3. Курносов А.И. Материалы для полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. - Москва: Высшая школа, 1986. - 327 с.

4. Черняев В.Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров. - Москва: Радио и связь, 1987 - 464 с.

5. Некифорова-Денисова С.Н. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлекторники: В 10 к. - Москва: Высшая школа, 1989 - К. 4: Механическая и химическая обработка. - 95 с.

Размещено на Allbest.ru