Файл: Курносов, А. И. Технология производства полупроводниковых приборов учеб. пособие.pdf

зива и режущего инструмента за счет кавитационной эрозии и истирания. Поэтому инструменты изготавливают из дешевых малоуглеродистых нетермообработанных марок стали ст. 2 0 , ст. 3 5 .

На рис. 1.13 показан режущий инструмент для ультразвукового вырезания круглых заготовок. Для резки квадратов и прямоуголь­ ников используют инструмент, режущая часть которого представ­ ляет собой набор параллельных лезвий. Ультразвуковая обработ­ ка не нашла применения для резки слитков на пластины, так как при достаточно большой глубине реза его форма становится кли­ новидной. Клиновидность почти незаметна при резке тонких плас­ тин на длине реза около 1 мм, но на длине 10—30 мм вызывает заметную непараллельность граней пластин.

Резка пластин на кристаллы методом термоудара. При исполь­ зовании этого метода на поверхности полупроводниковой пластины появляется сетка из отдельных рисок толщиной 0,13 мм. Нанесе­ ние сетки из рисок производят с помощью вольфрамовых прово­ лочек диаметром 0 ,1 мм (или лент толщиной до 0 , 0 1 2 мм), кото­ рые накладываются на поверхность пластины полупроводника. Через эти проволочки пропускают импульс тока большой величи­ ны. В результате резкого нагрева и охлаждения приповерхностных областей полупроводника происходит возникновение локальных

Нанесение сетки из рисок можно производить с помощью острофокусированного электронного луча. Режим воздействия элек­ тронным лучом можно выбрать таким образом, что поверхность пластины в месте воздействия луча будет деформироваться или слегка оплавляться. Это приведет к возникновению локальных тер­ момеханических напряжений, по которым происходит разламыва­ ние пластин на кристаллы.

Скрайбирование. Этот метод нашел наиболее широкое приме­ нение для разделения пластин на кристаллы квадратной и прямо­ угольной формы. Сущность метода заключается в том, что на поверхности полупроводниковой пластины алмазным резцомскрайбером наносят риски в’двух взаимно перпендикулярных на­ правлениях. Под рисками образуются напряженные области. Пла­ стину подвергают слабому механическому воздействию, в резуль­ тате которого она разламывается на отдельные кристаллы.

Для скрайбирования используют станки ЖКЮ-11, ШАР0160001 СМ-23А, ЭМ-201.

Схема станка для скрайбирования приведена на рис. 1.14. Раз­ резаемая пластина 2 вакуумным присосом прижимается к столи­ ку 3 подвижного механизма 4. Алмазный резец 1 с помощью кри­ вошипно-шатунного механизма совершает возвратно-поступатель­ ное движение и процарапывает на поверхности пластины ровную канавку. Затем столик с пластиной автоматически передвигается на величину стороны будущего кристалла, и при возвратном дви­ жении резец оставляет канавку, параллельную первой. После про-

32

хождения алмазным резцом всей площади пластины она повора­ чивается на 90°, и процесс повторяется.

К преимуществам данного метода следует отнести: незначи­ тельные потери материала, простоту метода, малые затраты вре­ мени, отсутствие клеев для крепления пластин и различных за­ грязняющих веществ.

Оптимальными условиями для резки пластин на кристаллы можно считать следующие: толщина пластин 125 мкм, минималь­ ный шаг резки 0,4 мм для германия и 0,5 мм для кремния; глу­ бина рисок после алмазной резки 7 мкм\ нагрузка резца на плас-

20°

тину равна 0 , 2 н для кремния и 0 ,1 н для германия; скорость нанесения рисок 0,025 м/мин. для кремния и 0,03 м/мин для гер­ мания.

Минимальный размер кристаллов h и толщина исходной плас­ тины I связаны следующим соотношением: h = kl, k = A для Si и k = 32 для Ge.

Технические данные установки для скрайбирования ЭМ-201

Для скрайбирования применяют резцы с алмазным наконечни­ ком. В зависимости от геометрической формы режущей части алмазного наконечника все резцы делятся на три основных типа (рис. 1.15): с рабочей частью в виде трехгранной пирамиды (рис. 1.15,а), четырехгранной пирамиды (рис. 1.15,6) и четырехгранной усеченной пирамиды (рис. 1.15,в).

Геометрические параметры режущей части алмазных резцов определяются физико-механическими свойствами обрабатываемо­ го материала. Так, для резки пластин из германия толщиной от 100 до 250 мкм применяют резцы с режущей частью в виде трех­ гранной пирамиды, а для резки пластин из кремния толщиной от 250 до 500 мкм — резцы с алмазным наконечником, имеющим фор­ му четырехгранной пирамиды с острой вершиной.

Широкое распространение получили резцы с алмазным нако­ нечником в виде четырехугольной усеченной пирамиды. Такой резец может производить резку любой из четырех заострённых

граней.

Износостойкость алмазных резцов достаточно велика. Одним резцом можно разрезать до 30 пластин диаметров 30 мм на от­ дельные кристаллы размером 1,0 Х 1 , 0 мм2.

Разламывание пластин после скрайбирования. Разламывание пластины полупроводникового материала после нанесения на ее поверхность рисок является ответственным этапом технологиче­ ского процесса.

Разламывание пластин с нанесенными на ее поверхность рис­ ками основано на создании растягивающих усилий, которые вызы­ вают появление трещин вдоль нанесенных рисок. В этом случае наиболее критичной является величина угла раскалывания. От величины этого угла зависят отклонения геометрических размеров разрезаемых элементов от номинала. Так, например, при толщине пластины 125 мкм и угле разламывания 79° и больше отклонение геометрических параметров отдельных элементов не превышает

±25 мкм.

Применяют различные способы разламывания пластин на кри­ сталлы. Так, например, после нанесения рисок пластины наклеи­ ваются на фольгу из пружинной стали толщиной 1 0 0 мкм и раз­ ламываются путем сгибания листа по определенному радиусу. Преимущество этого способа заключается в том, что во время разламывания вся пластина получает нагрузку на растяжение. Недостаток способа — наличие лишней технологической операции ■отделения кристаллов от металлической ленты. Согласно другому

34

способу пластину с нанесенными рисками помещают между двумя листами фольги. Всю сборку располагают на мягкой подложке рисками вниз. Путем нажатия на обратную сторону пластины ее разламывают. Этот способ свободен от недостатка предыдуще­ го, однако при этом возможны появления сколов в результате трения отдельных элементов друг о друга.

Наиболее распространенным является способ, когда пластину с рисками кладут на резиновую подложку и прокатывают сверху резиновым валиком в двух взаимно перпендикулярных направле­ ниях. Иногда пластины с рисками закрепляют между двумя листа­ ми клейкой бумаги; всю композицию пропускают между двумя ремнями по сложной кривой, имеющей несколько различных ра­ диусов закругления. После разламывания кристаллы отделяются от бумаги с помощью растворителей.

Величина изгибающего напряжения, необходимого для разламы­ вания пластин:

т

kb

где т — изгибающий момент;

h — длина ребра кристалла, получаемого при скрайбировании;

Ь — ширина пластины; I — толщина пластины; k — коэффициент.

Величину (h/l)2 в этом выражении называют показателем способности к разламыванию. Оптимальная величина этого пока­ зателя должна быть равна 24.

В ряде случаев удобно пластины с рисками помещать в конверт из пластичного материала. Конверт вакуумно-плотно закрывается и из него откачивается воздух. В результате откачки конверт плот­ но прижимается к пластинам и разламывает их по рискам. Преи­ муществом способа является то, что кристаллы остаются в том же порядке после снятия вакуума и вскрытия конверта.

§ 1.6. Шлифовка полупроводниковых материалов

После проведения процесса резки слитков на пластины обяза­ тельной технологической операцией является шлифовка, необхо­ димая для получения плоскопараллельности сторон пластин, точ­

ного соответствия заданным размерам и уменьшения глубины на­ рушенного слоя.

Для получения хороших результатов шлифовки необходимо выполнять следующие требования:

1 ) шлифовку нужно проводить в чистых, свободных от пыли помещениях и под защитными кожухами с избыточным давлением очищенного воздуха;

2 ) все установки для шлифовки должны быть разделены по виду обработки и типу используемого абразива;

35

Станок ЮФ7219000000 в отличие от перечисленных типов стан­ ков предназначен для одновременного двустороннего шлифования полупроводниковых пластин свободным абразивом.

Технические данные станка ЮФ7219000000

Процесс шлифовки. При вращении шлифовального круга и се­ паратора-кассеты с пластинами зерна абразивной суспензии вдав­ ливаются одними своими гранями в стекло (чугун), а другими — в полупроводниковую пластину. В местах соприкосновения с зер­ нами абразива на поверхности полупроводниковой пластины воз­ никают микротрещины, максимальная глубина которых зависит от природы и величины выбранных абразивных зерен. Когда в ре­ зультате многократных воздействий зерен весь поверхностный слой покроется трещинами, последующие перемещения зерен по тем же местам будут способствовать извлечению осколков полу­ проводника. Благодаря этим воздействиям образуются так назы­ ваемые выколки, характеризующие собой начало процесса шли­ фовки. Множество расположенных рядом выколок образуют шеро­ ховатую поверхность, характерную для шлифованной поверхности полупроводниковых кристаллов. Глубина выколок в зависимости от применяемого абразивного порошка составляет 3—30 мкм.

Производительность и качество шлифовки. Процесс шлифовки материалов характеризуется двумя факторами: производитель­ ностью, т. е. количеством материала, удаляемого в единицу вре­ мени, и качеством отшлифованной поверхности.

Производительность процесса шлифовки зависит от веса или толщины материала, удаляемого в единицу времени; качество шлифованной поверхности определяется толщиной нарушенного слоя, состоящего из рельефного и расположенных под ним трещи­ новатого и напряженного слоев.

Толщину рельефного слоя шлифованной поверхности измеряют с помощью профилографа ИЗП-5 в различных точках поверхности образца. Кроме того, параметрами, влияющими на производитель­ ность и качество шлифовки, являются природа абразива и жид­ кости, размеры зерен, концентрация абразивных зерен в суспен­ зии и скорость ее подачи, давление на шлифуемый образец, ско­ рость вращения и материал шлифовальника. Изменяя их сочета­ ние, можно управлять процессом шлифовки, замедлять его или ускорять, получать пластины с большой и малой глубиной выколок.

37

Оптимальный расход абразивного порошка пропорционален величине его зерен и увеличивается с уменьшением микротвер­ дости шлифуемых монокристаллов. Зависимость производитель­ ности процесса шлифовки германия и кремния от величины зерен абразивных материалов с различной микротвердостью показана на рис. 1.17. Сошлифовка полупроводникового материала зависит от прочности абразивных зерен: так, при одинаковой величине зерен более глубокие выколки дают абразивные материалы с боль­ шей микротвердостью. Поэтому в зависимости от свойств обраба­ тываемого материала, степени чистоты поверхности и целевого на­ значения необходимо выбирать абразив соответствующей дисперс­ ности. Практически первоначально шлифовку кристаллов полу-

проводникового материала осуществляют грубодисперсными по­ рошками карбида бора, а затем — доводят до необходимых раз­ меров и требуемой чистоты поверхности порошками электрокорун­ да или карбида кремния с зернистостью М14, М10, М5.

При шлифовке микротвердость применяемого абразива должна быть в 2—3 раза выше микротвердости шлифуемого материала. Этому требованию удовлетворяют электрокорунд, карбид крем­ ния зеленый, карбид бора, алмаз.

В табл. 1.5 приведены значения отношения микротвердости аб­ разива к микротвердости полупроводникового материала.

Скорость шлифовки в значительной степени зависит от микро­ твердости абразивных материалов.

На рис. 1.18 приведен график зависимости скорости шлифов­ ки vm полупроводникового материала от микротвердости абра­ зива.

Наибольшую производительность дают высокотвердые микропорошки КЗ*и КБ с зернистостью 20 мкм. Однако чем тверже абразив, тем более глубокие'рельеф и нарушенный слой они остав­ ляют в полупроводниковом материале при одной и той же величи-

38