Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современного состояния технологии разделения приборных пластин на кристаллы 22 23
1.1. Операция резки приборных пластин на кристаллы и ее роль в микроэлектронике
1.2. Основные технологические операции, предшествующие резке приборных пластин на кристаллы
1.2.1. Приклеивание приборной пластины на диск-носитель и ее последующее отклеивание
1.2.2. Шлифование и полирование приборной пластины 28
1.3. Современные методы резки приборных пластин на кристаллы 33
1.3.1. Механические методы резки приборных пластин 34
1.3.1.1. Алмазное скрайбирование 34
1.3.1.2. Резка дисками с алмазной режущей кромкой 36
1.3.2. Лазерные методы резки приборных пластин 38
1.3.2.1. Лазерное скрайбирование 38
1.3.2.2. Лазерная абляция 44
1.3.2.3. Stealth Dicing 45
1.3.2.4. Технология Laser MicroJet 47
1.3.2.5. Лазерное управляемое термораскалывание
1.4. Монолитные интегральные схемы, изготовленные на приборных пластинах сапфира и карбида кремния Выводы и постановка задачи 65
Глава 2. Определение границ конечной толщины приборных пластин сапфира и карбида кремния с изготовленными на них СВЧ МИС на 70 гетероструктурах AlGaN/GaN
2.1. Распределение температуры кристалла СВЧ МИС в зависимости от типа материала и толщины подложки
2.2. Определение величины прогиба приборной пластины в зависимости от типа материала и толщины подложки
2.3. Определение допустимых границ конечной толщины для приборных пластин сапфира и карбида кремния с изготовленными на них СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN
Выводы 86
Глава 3. Разработка решения для надежной защиты СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN при операциях шлифования, полирования и резки на кристаллы
Выводы
Глава 4. Определение режимов одностороннего шлифования и полирования свободным абразивом обратной стороны приборных пластин сапфира и карбида кремния с изготовленными СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN
Выводы 111
Глава 5. Резка приборных пластин сапфира и карбида кремния с изготовленными на них СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN на отдельные кристаллы и анализ влияния комплекса разработанных решений на электрофизические параметры изделий
5.1. Резка приборных пластин сапфира на кристаллы СВЧ МИС методом лазерного управляемого термораскалывания
5.2. Анализ влияния разделения на кристаллы СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN, изготовленных на приборных пластинах сапфира, с применением метода лазерного управляемого термораскалывания на выход годных кристаллов и электрофизические параметры СВЧ МИС
5.4. Анализ влияния разделения на кристаллы СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN, изготовленных на приборных пластинах карбида кремния, с применением метода дисковой резки на выход годных кристаллов и электрофизические параметры СВЧ МИС
Выводы 143
Заключение 146
Список литературы
- Основные технологические операции, предшествующие резке приборных пластин на кристаллы
- Определение величины прогиба приборной пластины в зависимости от типа материала и толщины подложки
- Определение режимов одностороннего шлифования и полирования свободным абразивом обратной стороны приборных пластин сапфира и карбида кремния с изготовленными СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN
- Анализ влияния разделения на кристаллы СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN, изготовленных на приборных пластинах сапфира, с применением метода лазерного управляемого термораскалывания на выход годных кристаллов и электрофизические параметры СВЧ МИС
Основные технологические операции, предшествующие резке приборных пластин на кристаллы
Разделению на отдельные кристаллы предшествует подготовка пластины. Это обработка в кислородной плазме, нанесение защитного фоторезиста, шлифование и полирование, а также исследование пластины под микроскопом и измерение рельефа поверхности при помощи профилометра.
Кроме того, для операций шлифования и полирования необходимо наклеить пластину на специальный диск-носитель, который представляет собой стеклянную или сапфировую оснастку, посредством которой обеспечивается дополнительная жесткость приборной пластины в течение операций шлифования и полирования.
Учитывая, что в течение шлифования и полирования конечная толщина, заложенная при проектировании и разработке полупроводниковых изделий на пластине, может достигать 150 мкм и менее [5], операция приклеивания пластины на диск-носитель преследует также цель сохранения пластины от физического разрушения вследствие механического воздействия, а также обеспечивает удобство работы оператора во время необходимых отмывок пластины для проведения промежуточных измерений геометрических параметров пластины для корректировки процессов шлифования и полирования.
После завершения операций шлифования и полирования пластину требуется отклеить с диска-носителя для проведения окончательных измерений на профилометре, а также для проведения операции разделения приборной пластины на отдельные кристаллы.
В изготовлении полупроводниковых приборов методом прикрепления пластины на диск-носитель является приклеивание. Пластина монтируется на диск-носитель для дополнительной последующей обработки. Операции разделения пластины на отдельные кристаллы, шлифование пластины, а также ее полирование требуют применения временного приклеивания полупроводниковой пластины на диск-носитель [6]. Вследствие особенностей оснастки установок, используемых для шлифования и полирования, пластину необходимо предварительно закрепить на специальном стеклянном или сапфировом диске-носителе. Крепление пластины к диску-носителю при помощи различных клеевых субстанций является традиционным методом приклеивания пластины при процессах утонения и резки на кристаллы. Это довольно грубый процесс, который зависит от навыков оператора. Технология включает нагрев диска-носителя до требуемой температуры. Затем расплавление клея на диске-носителе вручную. Оператор наносит клей по всей поверхности, пока клей не покроет диск-носитель. Затем приборная пластина помещается на клей сверху, и на нее оказывается давление по всей поверхности с целью удаления пузырьков воздуха из-под пластины, так как любые не удаленные пузырьки воздуха будут создавать существенные риски при процессах утонения и резки, являясь центрами зарождения трещин. Основные этапы включают: подготовку клеевой субстанции. Различные типы клея выступают в качестве адгезионного вещества между хрупкой пластиной и диском-носителем. Тип клея выбирается в соответствии с необходимой температурой последующего процесса, чтобы гарантировать, что приклеенная конструкция останется устойчивой. После выбора клеящего вещества, оно помещается при высокой температуре на диск-носитель при помощи различных инструментов; приклеивание пластины на диск-носитель. После нанесения адгезионного вещества, диск-носитель помещается в нагретую камеру приклеивания. Пластину и диск-носитель механически выравнивают и затем слегка прижимают друг к другу, чтобы создать временную склейку, которая в дальнейшем обеспечивает последующие процессы, такие как утонение, например; отклеивание пластины с диска-носителя. После завершения обработки пластины, ее следует отклеить от диска-носителя. В зависимости от типа клеевой субстанции отклеивание может проводиться посредством специального процесса нагрева или растворения адгезива в специальном растворителе.
Эта технология приклеивания в изготовлении и производстве полупроводниковых изделий позволяет снизить риск повреждений тонкой приборной пластины в течение различных процессов и, следовательно, повысить процент выхода годной продукции.
Использование различных клеевых субстанций, основным компонентом которых, как правило, является воск, обусловлено их низкой стоимостью и относительной простотой нанесения, не требующей дорогостоящего оборудования. Все операции по подготовке клея, центрифугированию и непосредственно приклеиванию должны выполняться в блоках, которые обеспечивают более высокий класс чистоты непосредственно в рабочей зоне.
Необходимость обеспечения более высокого класса чистоты рабочей зоны в течение операции приклеивания по сравнению с последующими операциями шлифования и полирования обусловлена тем, что частицы пыли, попавшие между пластиной и диском-носителем, способны при шлифовании выступать локальными центрами напряжений, что может привести к неконтролируемому образованию трещин в течение обработки и дальнейшему раскалыванию пластины.
При попадании частиц пыли на поверхность пластины, покрытую клеящим веществом, удаление таковых частиц достигается только при удалении всего слоя клеящего вещества и нанесения его заново.
Определение величины прогиба приборной пластины в зависимости от типа материала и толщины подложки
Особое значение имеет надежность радиоэлектронных приборов, а также их устойчивость к негативным воздействиям окружающей среды. Эффективность устройств СВЧ электроники находится в прямой зависимости от таких свойств как повышенное быстродействие, энергосбережение, надежность элементной базы. Для приборов, призванных сохранять работоспособность в экстремальных условиях перечисленные свойства особенно важны. Материалами, на основе которых можно изготавливать электронные приборы, соответствующие столь жестким требованиям, являются сапфир и карбид кремния.
Сапфир в настоящее время является основным материалом при производстве приборов на основе нитрида галлия, поскольку его кристаллическая решетка позволяет наращивать эпитаксиальный слой GaN с хорошими рабочими характеристиками и соотношением цена/качество. Кроме того, сапфир достаточно широко распространен. Для производства приборов на основе GaN традиционно используются сапфировые подложки C-ориентации, т.к. морфология поверхности слоев GaN существенно зависит от ориентации поверхности подложки. Слои GaN, выращенные на подложках сапфира С-ориентации характеризуются гладкой поверхностью [44,45]. Поскольку коэффициент теплового расширения сапфира больше, чем у GaN, деформация сжатия возрастает при охлаждении. Обычно деформации сжатия 0,7 ГПa остаются при комнатной температуре для пленок толщиной 1-3 мкм [46]. Из-за снижения паразитных емкостей повышается быстродействие элементов, а отсутствие необходимости в дополнительной изоляции элементов друг от друга позволяет увеличить степень интеграции элементов. Диэлектрическая подложка сапфира также позволяет значительно снизить (практически исключить) токи утечки приборов и уменьшить энергопотребление [47].
В последнее время технология полупроводникового карбида кремния и приборов на его основе быстро развивается. Карбид кремния (SiC) является слоистым материалом, и его свойства определяются порядком чередования наноразмерных элементов (слоев) [48]. Сильные химические связи обуславливают его химическую, радиационную, температурную и механическую прочность. Химическая инертность и механическая стойкость в свою очередь влияют на сложность обработки.
В настоящее время в России интерес к данному материалу в основном ограничивается академическими исследованиями его свойств и получением лабораторных приборов. В связи с этим создание и организация производства приборов на основе карбида кремния является одной из ключевых задач для обеспечения аппаратуры специального назначения современной и надежной элементной базой [49-51].
Основными причинами, останавливающими российского производителя, являются в первую очередь технологический аспект и экономическая рентабельность. Технологическими средствами для обработки карбида кремния обладают далеко не все предприятия. Большая часть ныне существующих компаний полупроводниковой промышленности специализируется на производстве твердотельных приборов на основе кремния, но технологии Si и SiC сильно отличаются.
В настоящее время исследование и внедрение в серийное производство широкозонных полупроводников, в частности, карбида кремния становится одним из главных стратегических направлений развития полупроводниковой электроники.
Карбид кремния — уникален. Данный материал является одним из наиболее радиационно–стойких полупроводников, перспективных для использования в экстремальных условиях при повышенных уровнях радиации, температуры и химической активности. Кристаллическая решетка 6H-SiC обладает лучшим, по сравнению с сапфиром, сродством с GaN, что принципиально снижает концентрацию дефектов и дислокаций в структуре GaN [52].
Несмотря на то, что рассогласование кристаллических решеток с GaN у карбида кремния составляет 3% (против 13,9% у сапфира), все еще остается достаточно большой плотность дислокаций (около 109-1010 см2), что сопоставимо с пленками GaN выращенными на сапфире. Это объясняется шероховатостью подложек SiC (1 нм в сравнении с 0,1 нм для сапфира) и повреждениями, вносимыми в течение процесса полирования.
Вследствие того, что коэффициент термического расширения SiC меньше, чем таковой для GaN, большинство эпитаксиальных пленок подвержены деформации растяжения.
На данный момент карбид кремния предоставляет возможность реализации требуемых электрофизических параметров для приборов, стойких к воздействию ионизирующих излучений и других специальных факторов с относительно высокими удельными мощностями при сохранении частотных свойств [53]. Однако массовость внедрения данных приборов лимитируется высокой ценой и ограниченными поставками исходных эпитаксиальных структур, а также отсутствием качественных подложек серийного отечественного производства.
Выращивание нитридных структур осуществляется на материалах сапфира и карбида кремния, что обусловлено тем, что подложки GaN в настоящее время недоступны. Рассогласование параметров кристаллических решеток, которое наблюдается между GaN и материалами, на которых он выращивается, в результате дает плотность дислокаций около 108-1010 см2.
Почти все GaN работы выполнены на кристаллах, выращенных вдоль С-направления ([0001] направление). Кристаллы с такой ориентацией имеют согласованную по Ga-плоскости полярность. Определение полярности является по отношению к связи Ga-N параллельной C-направлению. В кристаллах Ga-полярности, атомы Ga находятся ниже атомов N, для кристаллов N-полярности — наоборот. Это различие важно, потому что большинство GaN структур выращиваются на инородных подложках. При наличии чистого кристалла GaN полярность можно было бы менять простым переворачиванием кристалла.
Определение режимов одностороннего шлифования и полирования свободным абразивом обратной стороны приборных пластин сапфира и карбида кремния с изготовленными СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN
Для операций шлифования и полирования необходимо наклеить пластину на специальный диск-носитель, который представляет собой стеклянную или сапфировую оснастку, посредством которой обеспечивается дополнительная жесткость приборной пластины. Учитывая, что в течение шлифования и полирования конечная толщина, заложенная при проектировании и разработке полупроводниковых изделий на пластине, может достигать 150 мкм и менее, операция приклеивания пластины на диск-носитель преследует также цель сохранения пластины от физического разрушения вследствие механического воздействия, а также обеспечивает удобство работы оператора во время необходимых отмывок пластины для проведения промежуточных измерений геометрических параметров пластины для корректировки процессов шлифования и полирования.
Сегодня ограничения на предельные частоты СВЧ приборов имеют физический характер, связанный с конструкцией приборов [87, 88]. В свете поиска новых конструкторских решений, СВЧ МИС приобретают новые конструктивные свойства, и, вследствие этого, методы защиты приборов на пластине, которые были эффективны вчера, сегодня нуждаются в оптимизации.
Операции разделения пластины на отдельные кристаллы, шлифование и полирование пластины требуют применения временного приклеивания полупроводниковой пластины на диск-носитель или ленту-спутник. Традиционно для этой цели используются полимерные адгезивные вещества.
Приборная пластина, поступающая на операции шлифования, полирования и резки, несет в себе готовые приборы, которые необходимо защитить от возможных воздействий абразивных материалов, давления и шлаковых выбросов, неизбежно возникающих в течение вышеперечисленных операций.
В случае с приборными пластинами сапфира и карбида кремния с изготовленными на них СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN со сложными конструктивными особенностями применение одного типа клеящего вещества не удовлетворяло перечисленным требованиям вследствие особенностей МИС, таких как "воздушные мосты" и сложный рельеф "лицевой" поверхности пластины высотой до 20 мкм.
Для приклеивания приборных пластин на диск-носитель перед операциями шлифования и полирования в микроэлектронике широкое применение нашли автоматизированные установки приклеивания Wafer Substrate Bonding Unit компании Logitech Ltd (Великобритания) (рис. 32) и им подобные, основными особенностями которых являются воспроизводимость и получаемая прецизионная параллельность пластины и диска-носителя.
Операция приклеивания в обязательном порядке включает в себя длительное воздействие давящей мембраны в камере приклеивания при температуре плавления клеящего вещества в условиях вакуума. Это обеспечивает обезгаживание адгезива, а также прижатие приборной пластины с СВЧ МИС к диску-носителю. На данном этапе МИС на приборной пластине наиболее подвержены разрушающему воздействию прижимающей мембраны. Традиционно применяемая для защиты изделий на пластине технология нанесения фоторезиста в данном случае не способна справиться с задачей вследствие потери адгезии фоторезиста, а также высоты и сложного рельефа СВЧ МИС на приборной пластине (рис.33). (а) (б)
Фотографии полного (а) и частичного (б) повреждений "воздушных мостов" СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN в течение приклеивания приборной пластины на ленту-спутник, сделанные при помощи растрового электронного микроскопа Фотографии рис. 33 наглядно свидетельствуют о неспособности традиционно применяемых для планарных изделий микроэлектроники (таких как, например, светоизлучающие диоды) защитных покрытий обеспечить надежную сохранность межэлектрических соединений, присущих соверменным СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN со сложными конструктивными особенностями. Поврежденные изделия сводят на нет выход годных кристаллов еще непосредственно до операции разделения на кристаллы.
С целью обеспечения соответствия всем ключевым требованиям, перечисленным выше, для приклеивания приборных пластин сапфира и карбида кремния с изготовленными на них СВЧ МИС на диск-носитель для последующих операций шлифования и полирования в данной работе была разработана и апробирована система нанесения двухслойного клеящего покрытия.
Для защиты "воздушных мостов" СВЧ МИС и планаризации поверхности приборной пластины с целью обеспечения ее плоскопараллельности и надежной защиты изделий применено полимерное покрытие, наносимое непосредственно на приборную пластину. Полимер WaferBOND CR-200 компании Brewer Science Inc (США) представляет собой прозрачную бесцветную жидкость и применяется для временного приклеивания пластин на диск-носитель с использованием стандартного оборудования, а также обеспечивает защиту и планаризацию поверхности пластины при нанесении центрифугированием, создавая однородное защитное покрытие высотой до 27 мкм [89]. При этом данное клеящее вещество обладает температурной стабильностью до 220С, устойчиво к кислотам и основным растворителям, отвердевает при температуре 120-180С (в зависимости от времени экспонирования), а также имеет собственный растворитель, который очищает поверхность пластины не оставляя следов загрязнений при температуре 110С в течение 15-30 минут.
Нанесение защитного покрытия на необходимую толщину в зависимости от высоты рельефа СВЧ МИС на приборной пластине осуществляется согласно графика (рис. 34), отверждение осуществляется на нагретой плите при температуре 130-140С в течение 3 минут. После отверждения защитного полимера WaferBOND CR-200 на поверхности приборной пластины и создания надежной защиты СВЧ МИС, поверх него наносится основной клеящий адгезив, который обеспечивает непосредственный контакт с диском-носителем. Путем исследования и анализа имеющихся адгезивов для данной цели был выбран клеящий состав Glycol Phtalate 0CON-324 компании Logitech Ltd (Великобритания) [90]. Он предназначен для временного приклеивания приборных пластин и применяется в тех случаях, когда требуется обеспечить высокое усилие сдвига приклеенной приборной пластины относительно диска-носителя, тем самым повышая стабильность всей склеенной системы, что актуально в случае шлифования и полирования пластин сапфира и карбида кремния, так как при обработке этих твердых материалов необходимо приложить существенную нагрузку на обрабатываемую пластину. Этот адгезив, обладая температурно зависимой вязкостью, становится пластичным при температуре 71 С, тем самым создавая идеальные условия для приклеивания приборной пластины с нанесенным защитным полимером WaferBOND CR-200, температура плавления которого 180С.
Анализ влияния разделения на кристаллы СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN, изготовленных на приборных пластинах сапфира, с применением метода лазерного управляемого термораскалывания на выход годных кристаллов и электрофизические параметры СВЧ МИС
Исходя из вышеуказанных требований, было решено отказаться от использования фоторезистов в пользу полимера WaferBOND CR-200 и клеить пластину на пленку-спутник лицом вниз. Несмотря на то, что в мире при разделении пластины на кристаллы ее ориентируют преимущественно лицевой стороной вверх, что наиболее вероятно связано с трудоемкостью подготовки обратной стороны пластины в случае резки при ориентации лицевой стороной вниз, в настоящей работе резка с обратной стороны обусловлена прежде всего стремлением сохранить максимальное количество годных изделий СВЧ МИС.
Резка с обратной стороны с использованием планаризации поверхности при помощи защитного полимера WaferBOND CR-200, применяемого для защиты СВЧ МИС при приклеивании приборных пластин сапфира и карбида кремния на диск-носитель перед операциями шлифования и полирования, избавляет от необходимости экспонирования и проявления фоторезиста с дорожек реза приборной пластины. Данная операция существенно повысила бы риск разрушения пластины, так как тонкую пластину, которая изгибается от внутренних напряжений в пленке GaN, необходимо механически прижать к фотошаблону, а пластина после шлифования и полирования имеет прогиб больший, чем условие применения степперов и контактной фотолитографии для экспонирования дорожек реза на пластине [82]. Кроме того, после экспонирования фоторезиста, его необходимо проявить, то есть тонкая пластина должна быть помещена, а затем извлечена из жидкости, что при неаккуратном обращении с ней способно вызвать повреждение пластины. Также после утонения пластина сапфира оказывается под воздействием упругих напряжений, что в свою очередь повышает риск повреждения пластины при приклеивании ее на пленку-спутник. Решение приклеивать пластину на пленку-спутник «лицевой» поверхностью вниз делает монтаж пластины на пленку-спутник более щадящим — при прикатке на пленку-спутник лицом вниз края пластины из-за прогиба не цепляются за пленку-спутник, что обеспечивает меньший риск повреждения пластины.
Таким образом, при резке приборной пластины сапфира с обратной стороны повышается надежность операции вследствие следующих причин: не требуется проявлять дорожки реза в фоторезисте; меньше механического воздействия при приклеивании пластины на пленку-спутник; «лицевая» сторона надежно защищена в течение операции резки. Схематично порядок защиты полимером приборных пластин сапфира с изготовленными на них СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN перед операцией резки проиллюстрирован выше на рис. 35. При приклеивании пластины на пленку-спутник отсутствуют шаги нанесения защитного фоторезиста и нанесение клеящего адгезива.
Недостатком данного решения по резке приборной пластины сапфира с обратной стороны является необходимость отмывки разделенных кристаллов от планаризирующего полимера и рассортировка кристаллов вручную. Трудозатраты на отмывку и разбор кристаллов с отбраковкой дефектных после операции резки приборных пластин сапфира методом ЛУТ занимают в среднем около двух рабочих дней для пластины диаметром 50 мм.
Резка приборных пластин сапфира на кристаллы СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN осуществлялась в Московском технологическом университете под руководством директора физико-технологического института, доктора технических наук, профессора Кондратенко В.С. При резке применялись отработанные и оптимальные режимы [120].
Разделение пластин методом ЛУТ осуществляется путем локального нагрева материала лазерным пучком, образуя напряжения сжатия, вслед за лазерным пучком подается хладагент (воздушно-водяная смесь). Напряжения сжатия меняют знак на противоположный, образуются напряжения растяжения, что приводит к образованию трещины.
Для зарождения трещины в первом направлении наносится первоначальный дефект («надрез») длиной от 150 мкм, во втором направлении для обеспечения качества и стабильности дефект наносится по всей длине реза. Для нанесения локальных надрезов длиной 150 мкм на краю пластины при резке в первом направлении и нанесения надрезов по всей длине реза во втором направлении использовали УФ-лазер с длиной волны излучения 355 нм. Глубина надреза составляет 12-15 мкм, а ширина надреза — 8-10 мкм. Скорость резки приборной пластины сапфира методом лазерного управляемого термораскалывания составила 450 мм/сек.