Разделение полупроводниковых пластин на кристаллы

В случае резки пластины резцом в отечественном производстве применялись резцы с алмазным наконечником, с рабочей частью в виде: трёхгранной пирамиды — для резки пластин толщиной от 100 до 250 мкм из германия; четырёхгранной пирамиды с острой вершиной — для резки пластин толщиной от 250 до 500 мкм из кремния; четырёхгранной усечённой пирамиды — для резки пластин одной из четырёх заострённых граней. При резке на кристаллы пластин кремния и германия толщиной 125 мкм минимальный шаг резки составлял 0,4 и 0,5 мм для кремния и германия соответственно, нагрузка резца на пластину — 0,5 ньютона и 0,1 ньютона, соответственно, при скорости нанесения рисок 0,025 м/мин и 0,03 м/мин, соответственно. Глубина рисок после одного хода алмазной резки — 7 мкм, для обеспечения удовлетворительного качества разламывания после резки глубина реза должна быть не менее 2/3 исходной толщины пластины. При скрайбировании большу́ю роль играет соотношение ширины кристаллов и толщины разрезаемой пластины. Оптимальным считается отношение ширины (длины) кристалла и толщины пластины 6:1, минимум - 4:1. Если толщина пластины становится соизмеримой с шириной (длиной) отрезаемого кристалла, то излом пластины после скрайбирования происходит в произвольном направлении.

Микрограмма поверхности скола после скрытой нарезки кремниевой пластины толщиной 150 мкм, ср.[1]

Для скрайбирования также применяют энергию лазерного излучения — скрайберные риски создаются испарением полупроводникового материала с поверхности пластины при её перемещении относительно сфокусированного лазерного пучка, имеющего большую мощность излучения. При испарении полупроводникового материала, которое происходит при высокой температуре, в ослабленном канавкой сечении пластины возникают термические напряжения, а сама канавка, являясь узкой (до 25–40 мкм) и глубокой (до 50–100 мкм) по форме, выполняет роль концентратора механических напряжений. Наряду с созданием глубокой разделительной канавки, вследствие отсутствия механического воздействия на рабочей поверхности пластины не образуются микротрещины и сколы, что позволяет поднять скорость скрайбирования до 200 мм/с и выше. Защита и очистка пластины от конденсатов полупроводникового материала обеспечивается:

• продувкой зоны обработки воздухом;
• размещением над пластиной прозрачной эластичной ленты, обладающей хорошей адгезией к глобулам испаренного материала и предотвращении их осаждения на поверхность пластины;
• нанесением плёночного покрытия, например органическим фоторезистом, который потом удаляют.

Возможно также лазерное скрайбирование без удаления материала с поверхности пластины, т.н. «скрытое скрайбирование», и в настоящее время этот метод практически вытеснил испарительный[2]. Для этого применяется ИК-лазер на неодим-иттриевом гранате (Nd:YAG), для длины волны которого кремний (наиболее популярный полупроводник) является полупрозрачным, причём поглощение довольно велико[3]. Короткие импульсы высокой мощности фокусируются в глубине пластины, так, что её материал расплавляется и быстро перекристаллизуется в месте фокусировки, создавая зону напряжения. Несколько проходов лазера с разной глубиной фокусировки создают дорожку напряжённых зон в толще полупроводниковой пластины, по которой она затем легко разламывается.

Скрайбированную пластину разламывают:

• механически, приложив к ней изгибающий момент,
  • пластину помещают рабочей поверхностью (скрайберными рисками) вниз на гибкую (например, из резины) опору и с небольшим усилием покатывают последовательно в двух перпендикулярных направлениях, параллельно направлениям скрайбирования, стальным, резиновым валиком диаметром 10-30 мм (или стальным (фторопластовым) клином (призмой) с небольшим радиусом скругления). Гибкая опора деформируется, пластина изгибается в месте нанесения риски и лопается по ним.
• с помощью ультразвука;
• термоударом — нагревом и последующим быстрым охлаждением;
• скрайбированные пластины помещают в конверт из пластичного материала, затем вакуумно-плотно закрывают и откачивают из него воздух — в результате чего возникает механическое воздействие и пластина разламывается.

Таким образом, разламывание происходит в две стадии: вначале на полоски, а затем на отдельные кристаллы. Чтобы полоски или кристаллы в процессе разламывания не смещались относительно друг друга (это может привести к произвольному разламыванию и царапанью кристаллов друг о друга), перед разламыванием пластину покрывают сверху эластичной плёнкой (полиэтиленовой, лавсановой), что позволяет сохранить ориентацию полосок и кристаллов в процессе разламывания. Для сохранения ориентации кристаллов для последующих операций (особенно это важно при автоматизированной сборке) иногда пластину перед разделением на кристаллы закрепляют на специальной подложке — спутнике. Кристаллы между операциями на спутнике закрепляют:

• на стеклянном спутнике — примораживанием;
• на пластмассовом — электростатическими силами;
• на тонкой эластичной плёнке — адгезивными составами. Адгезию слоя подбирают такой, чтобы при разломе кристалл прочно удерживался, а после — снимался без остатков адгезивного вещества.

Ввиду того, что вручную тяжело правильно подобрать необходимое усилие прижима, в современном процессе производства полупроводниковой продукции широко применяется техника и автоматизация. И хотя современное оборудование позволяет выдержать шаг скрайбирования с точностью до ±10 мкм, размеры готовых кристаллов после разламывания имеют значительный разброс, обусловленный влиянием кристаллографической ориентации пластин. При подготовке к сборке перед контролем кристалла его поверхность очищают от различных загрязнений. В технологическом плане более удобно провести эту очистку непосредственно после скрайбирования и перед разламыванием на кристаллы — отходы обработки в виде крошки могут стать причиной появления брака.