Механическая обработка полупроводниковых материалов

Большинство полупроводниковых материалов получают в виде цилиндрических монокристаллических слитков неправильной формы (для Si диаметр до 150 мм, длина до 1000 мм).

Для изготовления дискретных полупроводниковых приборов и ИМС в качестве исходных заготовок используют дисковые срезы слитков (пластины) или вырезанные из них детали квадратной, округлой или другой формы, называемые «кристаллами».

Толщина пластин 0,2 - 0,7 мм, площадь от 0,1 до 25-35 см² (для ПЗС). Далее пластины шлифуют и полируют различными методами обработки.

К качеству подготовленных к использованию пластин предъявляются очень жесткие требования:

• толщина по площади не должно отличаться больше чем на ± 3 мкм;

• точность ориентации кристаллографической плоскости пластины не хуже 10° для Si и 13° Ge;

• наиболее часто режут по плоскости [111] в биполярной и плоскости [100] в МДП-технологии;

• плоскопараллельность не больше ±1 мкм по всему диаметру;

• отсутствие механических нарушений слоя;

• глубина рельефа поверхности не должна быть больше ± 0,025 мкм.

Ориентацию кристаллов осуществляют двумя способами:

1. Рентгенографическим - основан на определении максимальной интенсивности рассеянного излучения от плоскости отражения. Время анализа 15 - 30 мин, точность ± (3-5) минут. Используются стандартные рентгеновские аппараты.

2. Оптическим - основан на изменении отражения излучения от фигур травления на поверхности полупроводника. Каждая кристаллографическая плоскость имеет свою форму ямок травления. «Δ» [100] « » [111]. При отклонении плоскости от кристаллографической оси симметрия ямок нарушается, их очертания искажаются.

Точность ± 3 минуты для Si и ±15 минуты для Gе.

Метод прост и быстр.

Для проведения анализа используется установка «ЖК 78:08» для максимального диаметра 60мм. Масса установки 35 кг.

Методы резания слитков на пластины могут быть следующие:

 дисками с алмазосодержащей крошкой. Кромка диска насыщена алмазной крошкой диаметром 20 - 40 мкм (0,2-0,5 карата на один диск). Скорость вращения 8000-1200 об/мин. Скорость резания до 20 мм/с (скорость подачи 10 - 50 мм/мин). Ширина реза обычно в 2,5-3,0 раза больше толщины диска (отходы материала достигают 40-45%). Обеспечивается шереховатость по 7-8 классу. Недостаток: относительно большая толщина механически нарушенного слоя. Промышленные установки «Алмаз-4» для пластин диаметром 75 мм , «Алмаз-6М» для пластин диаметром 100 мм, масса установок  1 т.

 стальными пластинами или проволокой из W, W+M₀ диаметром 0, 1- 0,5 мм с абразивной суспензией υ_{рез полотна} = 10 - 15 мм/ч. υ_{рез пров} = 100 - 200 мм/ч.

Недостаток: малая ширина реза, особенно проволокой. Используется для малых диаметров 30 - 40 мм.

Разделение пластины на кристаллы проводят:

1. Скрайбированием. Нанесением на пластины царапин (рисок), которые являются линиями концентраций механических напряжений с последующей ломкой пластины на отдельные заготовки. Риски наносят с помощью алмазного резца.

Преимущества: простота, высокая производительность, малая ширина реза, исключаются потери материала. Качество скрайбирования зависит от толщины пластины, формы режущей кромки резца, нагрузки на него, угла наклона, положения риски по отношению к кристаллографическим направлениям. Отношение ширины кристалла к толщине должно быть не меньше 5 - 6. Лучшие результаты на тонких пластинах. Скорость на установках скрайбирования 2 - 3 м/мин.

Ломка пластины делается:  валиком на мягкой подложке,

 в результате консольного изгиба.

Усилия ломки прикладывается всегда со стороны противоположной стороне скрайбирования. Точность шага ± 10 мкм.

2. Ультразвуковой абразивной обработкой - УЗ - колебания от генератора передаются на концентраторы, куда крепят инструмент. В место контакта инструмента с пластиной подают абразивную суспензию. При колебании инструмента в жидкости возникают кавитационные явления. В момент схлопывания пузырьков газа частицы абразива получают большую кинетическую энергию и, ударяясь о полупроводник, разрушают его. На качество реза влияет профиль инструмента, размер частиц абразива и их концентрация, мощность генератора и т.д. Время реза кристалла Si 5х5 мм толщиной 1мм - 1,5-2,0 мин., риски глубиной 0,2 м – 15-20 секунд.

3. Электроэрозионной обработкой (электроискровой). В искровом разряде (пластина – анод, инструмент - катод) разрушение анода происходит за счет его разогрева до температуры кипения.

Точность реза выше, чем у УЗ метода.

4. Лучевой обработкой (может быть электронно-лучевая и лазерная). При электронно-лучевой обрезке υ_реза=1-1,5 м/с при точности реза ±1 мкм за счет фокусировки электронного луча до пятна 10^-7 см² (Е = 10⁹ Вт/см²), температура возрастает до 6000 - 7000К. Материал не загрязняется, т.к. процесс идет в высоком вакууме.

Лазерный луч имеет фокальное пятно диаметром 1 мкм (Е = 10¹³ Вт/см²), температура увеличивается до 10000К. Среда может быть любой, материал любой, исключены механические напряжения и повреждения. Кратковременность воздействия лазерного луча (10^-8 с) исключает изменение структуры и состава полупроводника вблизи зоны резания.