Способы резки слитка на пластины

В полупроводниковом производстве для изготовления подложек слиток материала (буля), прошедший предварительную механическую обработку, режут на тонкие пластины (около миллиметра). Как правило, резка булей происходит по всей длине слитка одновременно, за исключением R&D и лабораторных исследований, в которых используются слитки малых диаметров и часто резка используется для отделения от слитка одной пластины.

Среди основных способов резки слитков на пластины следующие:

1. Резка диском с алмазной внутренней кромкой. Режущим инструментом является металлический диск толщиной 0,1-0,15 мм с внутренней режущей кромкой, армированный искусственными или природными алмазами. Чаще всего, такая установка дисковой резки применяется для R&D и лабораторных исследований.
2. Резка проволокой с применением абразива. Резка слитка на пластины происходит в процессе перемотки проволоки (как правило, изготовленной из вольфрама, стали, никеля или нихрома) диаметром 0,1-0,15 мм с одного вала на другой. При этом над слитком по все длине натянуты параллельные нити проволоки, которые прорезают слиток снизу вверх или сверху вниз, в зависимости от используемого оборудования. На проволоку непрерывно подается суспензия с частицами абразива на основе алмазного порошка. Метод широко используется в полупроводниковой промышленности. К недостаткам метода относятся: низкая скорость резки, высокая стоимость алмазного порошка, загрязнение пластин суспензией, сложности с использованием для малых объемов производства (высокая стоимость эксплуатации оборудования при малой загрузке).
3. Резка алмазной проволокой. Процесс резки алмазной проволокой является наиболее современным и постепенно приходит на смену процессу резки суспензией. Процесс резки полностью аналогичен резке суспензией, однако в данном случае сама проволока покрыта алмазным порошком, а вместо суспензии используется жидкость на основе воды. Благодаря алмазной проволоке, скорость резки может быть увеличена в 5 и более раз, по сравнению с резкой суспензией (в зависимости от материала и размера слитка). Используемый водный агент не загрязняет подложки в процессе резки. Алмазную проволоку возможно останавливать в процессе резки и возобновлять процесс без порчи слитка, как это происходит в случае с резкой суспензией. Возможность многократного использования алмазной проволоки в итоге позволяет сделать рез слитка дешевле, чем в случае с суспензией.
4. Диск с внешней режущей алмазной кромкой.

Структура нарушенного слоя после механической обработки

После механических операций на поверхности полупроводника ос­тается нарушенный слой, который существенным образом влияет как на дальнейшую технологическую обработку (травление, окисление), так и в конечном счете на параметры полупроводниковых приборов, особенно с мелкими (меньше 1 мкм) активными слоями. Поэтому контроль струк­туры нарушенного слоя и способы его удаления представляют важную задачу современной планарной технологии.

Структуру нарушенного слоя полупроводниковой пластины после резки и шлифовки условно мож­но представить в виде четырех пос­ледовательных областей (рис. 1.3): верхняя область - микрорельеф, под ней расположена область микротре­щин, далее область, содержащая петли и скопления дислокаций, затем следует слой кремния, где число дислокации повышено по сравнению с остальным объемом полупроводника. В структурном отношении области микрорельефа и микротрещин представляют собой аморфные или мелкокристаллические состояния кремния. Области скопления и повышенной плотности дис­локаций имеют монокристаллическую структуру. В нарушенном слое, кроме структурных, возможно образование и концентрационных неоднородностей, которые связаны с сегрегацией примесей на дислокациях, что может изменять электрофизические свойства материала, влияя на электрические параметры элементов микросхем.

Виды шлифовки пластин

Методы шлифовки разделяют по виду используемого абразива на обработку свободным и связанным абразивом, а по конструкции станка и характеру удаления припуска – на одностороннюю и двустороннюю.

При односторонней шлифовке пластины наклеивают будущей рабочей стороной на дюралевые блоки наклеечной мастикой из воскоканифольной смеси или синтетического воска. Блоки устанавливают пластинами вниз на шлифовальник из стекла, чугуна или стали (при шлифовке свободным абразивом) или навинчивают на шпиндель станка при шлифовке связанным абразивом.

При шлифовке свободным абразивом абразив виде суспензии на водной основе подают в рабочую зону. В процессе работы зерна абразива не связанные между собой, образуют между пластинами и шлифовальником прослойку, и перекатываясь, выкалывают частицы как обрабатываемого материала, так и материала шлифовальника.

Рис.1. Процесс односторонней шлифовки пластин.

Таким образом одновременно происходит обработка поверхности пластин и износ шлифовальника. Так как материалы пластин и шлифовальника отличаются высокой твердостью и хрупкостью, зерна абразива не могут ни внедрятся, ни закрепиться в них.

Шлифованная поверхность полупроводниковых пластин имеет матовую фактуру и состоит из большого числа кратерообразных выколок. Размеры выколок находятся в прямой зависимости от размеров зерен абразива и давления на них.

Сначала обрабатывают нерабочую сторону пластины. Затем её переклеивают, сделав базовой, и обрабатывают рабочую сторону. Двойная наклейка обычно ухудшает точность формы окончательно обработанных плоскостей из-за неравномерности толщины клеющего слоя.

В настоящее время в связи с переходом на обработку пластин большого диаметра (150 и 200 мм), все больше начинают использовать двустороннюю шлифовку свободным абразивом.

Рис.2. Установка для двустороннего шлифования.

Достоинства метода обработки: 1. Высокая производительность; 2. Высокая точность обрабатываемых поверхностей.

Двусторонняя шлифовка позволяет уменьшить прогибы пластин, связанные с деформацией кромки алмазного диска при резке, и обеспечить наименьшую разницу в толщинах. Высокая производительность шлифовки достигается за счет удаления материала одновременно с двух сторон пластин. Пластины уложены в отверстия сепараторов, расположенных на нижнем шлифовальнике. Верхний шлифовальник свободно самоустанавливается по поверхностям пластин. Пластины совершают в сепараторе сложные движения относительно поверхности шлифовальника, что способствует более равномерному их износу.

Шлифовальники вращаются со скоростью 22–30 об/мин в противоположные стороны. Давление на одну пластину диаметром 76 и 100 мм составляет 12–13 и 21–22 кг.

Шероховатость после шлифовки находится в пределах Rz=0,5–1 мкм, Ra=0,1 мкм. Глубина нарушенного слоя, состоящего из трех зон может достигать 10–15 мкм.