Технология утонения ультратонких полупроводниковых пластин. Шлифовка и полировка пластин — Это визуальный осмотр

Под процессом шлифовки понимают обработку полупроводниковых пластин на твердых шлифовальных дисках абразивными микропорошками. По технологическим признакам шлифовку подразделяют на предварительную (с более крупным порошком) и окончательную (с более мелким порошком). Предварительная шлифовка проводится для того, чтобы быстро выровнять плоскости пластин и удалить припуск. Окончательную шлифовку проводят для дальнейшего улучшения геометрических параметров и качества поверхности обрабатываемых пластин. Утонение пластин также производится шлифовкой.

Полировка пластин

Для улучшения качества поверхности полупроводниковых пластин и уменьшения глубины механически нарушенного слоя проводят процесс полировки. Процесс полировки проводят при помощи полировальных дисков, обтянутых мягким материалом. В качестве абразива используют микропорошки синтетического алмаза, оксида алюминия, оксида хрома, диоксида кремния.

Применение:

• Придание поверхности пластин необходимой плоскостности и шероховатости, подготовка «epi-ready» подложек.

Мы продолжаем программу «Микроэлектроника для „чайников“» , которую сайт делает совместно с заводом «Микрон» . Сегодня мы говорим о том, что происходит с пластиной с чипами после выхода из кристального производства. У нас в гостях Александр Егорчиков, заместитель начальника цеха № 3 и Вячеслав Терентьев, инженер.

— Александр, расскажите, почему жизнь чипа делится на какие-то этапы? Эта пластина переходит из цеха в цех. Почему так происходит?

А.Е. — Традиционно в производстве микроэлектронных изделий производство пластин и чипов на пластине — это совершенно оригинальный, уникальный процесс со своими требованиями, спецификой, оборудованием, квалификацией людей и так далее.

В отдельных устройствах присутствует, как правило, один чип. После того, как пластина создана, её нужно разделить на отдельные устройства — чипы. Затем или запаковать их, или чипы работают отдельно от пластин. В нашем цехе обрабатываются изделия после кристального производства.

— После того, как на пластину нанесли все слои, протравили её и так далее, что происходит?

А.Е. — Да. Кристальное производство — очень сложная технология, в которой появляется пластина. Но между основным, кристальным производством, где формируются изделия, существует промежуточное производство, так называемая «preassembly» (по международной терминологии) — предсборка. Там пластину нужно привести в соответствие с требованиями сборки. Пластина должна быть тоньше, это главное.

Почему она должна быть тоньше? Потому что в кристальном производстве для того, чтобы пластину сохранить на маршруте, используют толстые болванки. К примеру, пластины диаметром 200 миллиметров имеют толщину около 1 миллиметра, 800 микрон. Но такие чипы, если мы пластину разрежем на отдельные чипы, будут очень толстыми, и ни в в банковскую карточку, ни, тем более, в транспортный билет не пойдут.

Поэтому пластины мы утоняем. Делаем не в один этап: сначала зашлифовываем пластину с обратной, кремниевой, стороны, а затем в плазме, стравливанием доводим пластину до диапазона толщин, необходимого впоследствии для сборки.

— Вы снимаете как раз ту часть, на которой нет нанесения, собственно, сам кремний с обратной стороны?

А.Е. — Да. Сами структуры на кремниевой пластине толщиной 0,8-1 миллиметр, занимают всего лишь от одного до нескольких микрон. Всё остальное — кремний, который может быть утонён до толщин 150 микрон, или даже как в биопаспорте — 60-70 микрон, — это вполне реальная задача, которую мы и выполняем.

— Почему нельзя снять больше? Пластина или сам чип станет хрупким?

А.Е. — Этого не делалось, так как пока не нужно. Если понадобится, наверное, мы решим и эту задачу. Сейчас мы шлифуем и обрабатываем пластины в плазме до толщины 60 микрон. На этом этапе используется разнообразное, довольное сложное, оборудование, которое разработано и изготовлено на ведущих фирмах мира.

В частности, оборудование для утонения, в частности для шлифовки, — фирмы «DISCO», Япония. Причём, оборудование произведено не просто в Японии, а в Токио — сердце Японии, где собраны лучшие умы. На этом оборудовании мы обучались как в самой Японии, так и здесь. Оттуда приезжали специалисты и подтверждали ту квалификацию, которую мы получили в Японии.

— Вячеслав, японские станки сложные в освоении?

В.Т. — Да, у них очень большая точность. Процесс того же монтажа установки по плоскости должен быть точным вплоть до микрон. Вообще все настройки в этой установке, внутренние тоже, очень точные. Их делают с помощью специальных приборов.

— Как я понимаю, чем больше автоматизации, тем дешевле производство. Насколько процесс утонения пластин автоматизирован?

В.Т. — Установка работает в полностью автоматическом режиме. В неё загружается кассета, содержащая в себе по стандарту 25 пластин, и они выходят из установки утонёнными. Человеку только требуется поставить эти пластины и забрать.

— И контролировать процесс?

В.Т. — Да. Но процесс контролируется тоже в автоматическом режиме. Если что-то не так, установка выдаёт ошибку.

— Вы сказали, шлифовка пластин происходит в плазме, значит это не механическая шлифовка. Что это за технология?

А.Е. — Все операции по утонению представляют собой небольшие конвейеры, собранные в цикл. Пластина в процессе обработки движется по определённым этапам.

Первый этап — пластину надо «забазировать», чтобы она точно легла в оснастку; для этого есть специальное устройство. Пластину надо вымыть — она может быть с загрязнениями. В другом устройстве пластину надо грубо прошлифовать. Затем её надо точно прошлифовать.

После этого пластину надо опять вымыть и высушить — она должна быть сухой. Вообще, если, как аналог, взять бытовой процесс обработки любого твёрдого материала, например, гранита — нужно подлить воды в «болгарку», чтобы произвести шлифовку. Здесь — то же самое. Но только всё прецизионно, точно.

Так выглядит машина. К ней пристроено специальное устройство, тоже довольно сложное, которое обеспечивает снятие нарушенного слоя после шлифовки. Ведь какой бы прецизионной ни была шлифовка, это всё-таки механическая обработка — возникает напряжение, на пластине задерживаются остатки кремния.

Есть несколько способов удаления нарушенного слоя. Химический способ — стравить кремний. Но это древний процесс, сейчас от него пытаются отказаться. Сами понимаете, применяется «серьёзная» химия, разные комплексы кислот и есть много проблем при утилизаци.

В плазме — подогретый специальный газ, где после фильтра среда нейтральная, и процесс более приспособлен для производства. К тому же, меньше вредных отходов. Они есть, конечно, но проще утилизируются.

В герметичное устройство помещается пластина, и обратная её сторона подвергается воздействию специального газа, который стравливает буквально несколько микрон кремния. После этого пластина получается, во-первых, более чистая, во-вторых, не имеет поверхностных дефектов, в-третьих, она снимает напряжение.

Пластина после шлифовки, если она очень тонкая, свертывается буквально в трубочку от напряжения. Это можно увидеть, если взять её вакуумным пинцетом. Чтобы этого не произошло, пластина обрабатывается в плазме, которая снимает напряжение. А пластина, как была плоской, так плоской и осталась.

— Технология и оборудование, которое у вас используется, насколько соответствует передовому мировому уровню?

А.Е. — Это — совершенный «писк». До того, как я обучался в Японии, мы длительное время обучались в Германии на фирме Infineon. Шлифовка и обработка в плазме только внедрялась. Были огромные машины, разорванные циклы. Машина плазмы стояла отдельно, нужно было взять кассету с пластинами и отнести на оборудование обработки в плазме. Здесь же всё объединено. Нужно твёрдо сказать, что это последнее достижение в области электроники и в подготовке пластин.

— После того, как пластина выходит из этой установки — уже тонкая, отшлифованная — её нужно нарезать на много чипов. Кстати, был какой-то период в истории микроэлектроники, когда не было пластин, когда делались чипы под одной штуке, не на круглых пластинах?

А.Е. — Если такое и было, то это, наверное, делал сам Уильям Шокли. Сам делал первый транзистор. Наверное, он был один:)

— Так или иначе, следующий процесс — нарезать пластину на отдельные чипы. Правильно?

А.Е. — Да. И чем больше диаметр пластины, чем больше чипов на пластине, тем чип получится в итоге дешевле. Поэтому идёт процесс увеличения диаметра пластин. Пластины будут круглые и большого диаметра. В ближайшее время это будет 300-400 миллиметров.

Пластины диаметром 400 миллиметров сейчас на некоторых фабриках планируют делать, а 300 миллиметров вовсю используется. Потом эти пластины всё равно придётся утонять, потому что они будут ещё толще (иначе их не обработаешь, их нельзя взять в руки). Вячеслав не сказал о том, что после шлифовки он должен пластину посмотреть.

— Это визуальный осмотр?

В.Т. — И визуальный осмотр, и ещё на оборудовании. После фазы шлифовки, первое, что надо проконтролировать, это толщину — насколько точно отшлифовали пластину. На пластине толщиной 150 микрон не должно быть погрешности более 3 микрон. И визуально под микроскопом надо посмотреть, чтобы не было сколов, дефектов.

А.Е. — Это выборочный контроль, он делается не на «боевых» пластинах, а на специальных пластинах.

— Давайте перейдём к резке. Как режется тонкая пластина? Я знаю, что есть метод — надрезать и поломать, а есть — разрезать полностью. Какой метод лучше, и какой применяется на «Микроне»?

А.Е. — Процесс «надрезать и поломать» — это старый процесс, наверное, 70-х годов. Тогда не умели резать пластины до конца, делать так называемый «full cut». Поэтому делали надрез в две трети, три четверти толщины пластины, а потом пропускали через резиновый валик и пластина лопалась. Лопалась, как получалось.

— Когда хорошо, когда и не очень?

А.Е. — Да. Знаете, как бывает — «извините, не вышло». Есть процессы резки алмазным диском. Образно говоря, мы режем пластины маленькой прецизионной болгаркой. Очень качественной, красивой, но болгаркой. Это у нас жаргонное название. Есть ещё лазерная резка, но я про неё потом расскажу.

Мы можем взять утонённую пластину и разрезать её насквозь до плёнки, на которой находится пластина (пластина находится на плёнке, чтобы не развалилась). Даже надрезаем часть плёнки, до 20 микрон. Это «full cut», полная резка.

Этот процесс имеет разновидность. Предположим, у Вячеслава на оборудовании две болгарки. На них можно поставить два одинаковых диска. Можно и разные. И они будут работать сами по себе.

Зачем это делается? Когда нужно получить очень маленькую дефектность на обратной стороне, мы первый рез делаем толстым диском (это производительно), но не дорезаем до конца. Специалист, который резал стёкла, знает, что если сломать стекло, то при сломе получаются так называемые «юбочки», сколы на обратной стороне.

Чтобы этого не допускать, я должен резать тоненьким диском. А пластина, даже в 150 микрон, толстая для тонкого диска. Поэтому я сначала делаю грубый рез, а потом режу прецизионным диском. То есть уже в надрезанной широкой канавке дорезается маленькая канавка — и минимум дефектов.

Есть другой процесс, очень широко используемый, так называемый DBG (Dicing Before Grinding) — «резка перед утонением». Сначала надрезаю, затем шлифую.

— И пластина сама разваливается?

А.Е. — Я надрезы делаю сразу тонким диском. Но это процесс специфический, требует других материалов, специальных плёнок. Это другой процесс — и производительный, и эффективный, который мы используем.

— Такой процесс тоже есть?

А.Е. — Конечно, у нас есть линия DBG.

В.Т. — Это оборудование можно перестроить с одного процесса на другой в течение часа.

— Когда какой используется?

В.Т. — Это зависит от требований к каждой конкретной пластине.

— Допустим, для билетов для метрополитена какой используется процесс? Я пытаюсь понять вот что — у меня была круглая пластина, её нарезали на много маленьких чипов. Как они потом пакуются, собираются в какие-то коробочки, чтобы дальше отправиться на следующий процесс? Потому что, если я сначала надрежу, а потом пластину утонят, то все чипы рассыпятся.

А.Е. — Что такое линия DBG? Это не просто две машины — резки и шлифовки. Там есть ещё специальные машины. Первая — ламинатор, который предназначен для нанесения на лицевую сторону защитной плёнки. Пленка — «крутая», её задача сохранить лицо пластины, чтобы она плазму выдержала, ведь плазма — температурный процесс.

Мы помещаем пластину в установку к Вячеславу. Он начинает шлифовать. При этом лицо пластины закрыто. Потому что мы обрабатываем обратную сторону пластины, а лицо через плёнку контактирует с оснасткой — напрямую, это простой механический контакт через вакуум. После шлифовки получается нужная толщина пластины. Плёнка становится лишней, её снимает «ремувер» — устройство в составе линии. Зашлифованная, уже тонкая, пластина расположена в оснастке.

Начинается подготовка к процессу резки. Мы обратной стороной отшлифованную пластину наклеиваем на рамку (которая чуть больше). Зачем это нужно? Чтобы болгарка сумела проскочить всю длину пластины. Поэтому у нас есть рамка. Есть плёнка на дне. Это и есть носитель, так называемая лента-спутник. Когда мы разрезаем пластину, рамка, плёнка и чипы остаются вместе. Это продукт линии «preassembly». Я его могу упаковать и отдать пользователю.

— Это не отдельные рассыпающиеся чипы, а та же пластина, только всё порезано и отшлифовано и запаковано?

А.Е. — Существуют маршруты, процессы, где используются только годные чипы. Ведь на пластине всякие чипы. Пластины годные — они же измерены электрически. А есть те, которые измерены, и негодные. На них специальная краска, чтобы потом при бампировании в упаковку изделия их игнорировать. Я их все отдаю пользователю, он сам выбирает.

А есть пользователи, которые говорят: «Нет, нам не надо такого. Нам нужны только годные. Поэтому будь добр, переложи в наши коробочки». Но наш цех этим не занимается. Мы отдаём пользователю рамку с плёнкой и разрезанными чипами.

— Разбор на годные и негодные — это следующий этап.

А.Е. — Следующий этап, который оценивает — «это буду обрабатывать, это не буду».

— Когда происходит непосредственно нанесение чипов на пластину, это происходит в чистой комнате , там высокие требования к к отсутствию пыли и так далее. После того, как это весь процесс закончен на вашем участке, требования к чистоте сохраняются?

А.Е. — Они сохраняются, но они не такие жёсткие. Если на чип попадут пылинки величиной 1 микрон, наверное, мы не заметим. Но пылинки величиной в 1 миллиметр, конечно, заметим. Потому что размер чипа даже меньше — 0,7 мм. Поэтому особенно тогда, когда пылинка попадает под чипы при наклейке плёнки, это фатальное несоответствие, чипы мы можем потерять. Когда я наношу плёнку, мне уже не важно, пылинки сверхтонкие в маленьких количествах или большие, — это недопустимо. Поэтому у нас есть свои требования к запылённости и электровакуумной гигиене. Мы работаем в халатах, правда, без головных уборов. Это обеспечивает необходимое качество.

— Что за люди работают в вашем цехе? Вячеслав, вы — инженер, работаете с этими станками. Какие ещё специальности существуют на вашем участке?

В.Т. — На каждом участке работает инженер-технолог, инженер по ремонту, наладчик и оператор. Оператор проделывает чисто механическую работу: поставил кассету, кассету убрал. Наладчик выполняет несложные настроечные работы. Инженер по ремонту, то есть я, занимается уже более тяжёлой работой — все те процедуры, которые необходимо делать раз в месяц, например, по замене агрегатов. Инженер-технолог следит за всем процессом, маршрутом, за соблюдением технологии.

— Это такая же круглосуточная работа, как на кристальном производстве? Вам круглосуточно поставляют пластины на вход, и вы в таком же режиме должны их обрабатывать?

В.Т. — Оборудование позволяет работать круглые сутки, в зависимости от заказа.

А.Е. — Дело в том, что задача любого инженера — это творческий продукт.

— Всё-таки творчество здесь есть?

А.Е. — Обязательно. Предположим, задача инженера-технолога — процедура, описанный способ производства, как и что нужно делать. Это должно быть записано, и этому должен быть обучен инженер-технолог. За этим процессом он следит. Не обязательно ему присутствовать на работе по ночам. У инженера-технолога, который следит за своей операцией или полностью за маршрутом, есть свои методы.

То же самое — инженер по ремонту. У него свои процедуры, которые он сам создал. На каждой фирме они свои. Он свои процедуры по ремонту создаёт, делает и следит за их выполнением.

— То есть непосредственно методику, конечно, в рамках технологии, каждый инженер придумывает сам?

А.Е. — Совершенно верно. Есть вещи, которые делает он сам. По уровню образования, квалификации этого никто другой не сделает. И не положено делать. Это замены блоков, контроль за запчастями — у инженера-технолога своя работа. Это его процедура, которую он придумал, его творчество.

Инженер в переводе с французского — «талантливый изобретатель». В этом плане Вячеслав — талантливый изобретатель. Он сделал то, благодаря чему осуществляется техническое обслуживание и поддержка оборудования, без эксцессов, которые недопустимы.

— У вас на «Микроне» есть разные участки; вы — промежуточное звено. Есть такое отношение, что один участок, например, кристальное производство — «белая кость», они главные, а другой участок — конечно, нужный, они там что-то шлифуют, режут — но они не самые важные, не самые сложные?

А.Е. — Такие мысли были у меня до приезда в Германию в 2005 году. «Белая кость», не «белая кость», учёный, неуч — там такого нет. Есть определённая работа, определённая зарплата. Есть инженеры, которые занимаются утилизацией отходов. Скажите, это важная работа? Да очень важная! В Германии нет такого высокого уровня образования. Но зарплата там, предположим, у технолога-маршрутчика не меньшая, чем у других специалистов. А почему? В каких условиях он работает? Можно сказать, что человек работает с отходами. И если в его работе что-то пойдёт не так, то мы все отравится можем. Получается, и его работа очень важная.

У нас сейчас, к счастью, на «Микроне» эта позиция сломана. У нас нет «белых костей». У нас есть уровень квалификации и уровень выполненной работы.

— Спасибо. Мы говорили о небольшом, но очень важном участке в производстве микроэлектронной продукции. О том, что с пластиной происходит после выхода из кристального производства и до этапа сборки.

Александр Эрлих

В современных микроэлектронных изделиях и технологиях их производства, в частности при производстве смарт-карт, при монтаже пластины на пластину или кристалла на кристалл, используются особо тонкие пластины, толщина которых не превышает 100 мкм (Рис.1 Ультратонкая пластина). Получение пластин такой толщины обычно сопровождается большим процентом дефектов. С целью снижения стоимости производства, улучшения качества кристалла и пластины компания Accretech, Япония (мировой лидер в производстве оборудования для зондового контроля пластин, дисковой резки и шлифовки пластин) разработала новую технология утонения пластин, сочетающую в себе шлифовку и полировку пластины. При этом пластина все время остается на одном и том же рабочем столике (держателе), что значительно снижает риск ее повреждения.

Изначально для обработки обратной стороны кремниевых пластин использовалась шлифовка с помощью абразивных материалов. Но уже со второй половины 1970-х появились тенденции уменьшения толщины пластины, а методы шлифования, соответственно, были вынуждены меняться.

В существующих на сегодня методах утонения применяются грубое и тонкое шлифование, а также травление (сухое или мокрое) с целью получения гладкой поверхности. Одним из недостатков тонких пластин является их хрупкость при изгибе и, как следствие, излом.

Рис.1 Ультратонкая пластина

После абразивной обработки (шлифовки) пластины на ее поверхности остаются микроповреждения (микротрещины) (Рис.2 Поперечное сечение отшлифованной пластины). Уровень шершавости и величина повреждения напрямую зависят от величины зерна алмаза, поэтому после шлифовки алмазом, размером 4-8 мкм, толщина поврежденного слоя 2-3 мкм. Конечно, такая толщина кажется ничтожной, по сравнению с общей толщиной пластины, но именно такие повреждения становятся причиной изгиба, появления трещин и разлома пластины.

В рельефном слое, созданном в результате шлифовки, в бугорках и трещинах оседает пыль. Микротрещинки проникают глубже, в приповерхностный слой. Это значит, что для обеспечения ровной пластины придется снять еще некоторый слой пластины (≈1 мкм), в особых же случаях может потребоваться удаление каждой трещины.

Рис.2 Поперечное сечение отшлифованной пластины
I Зона неупругой деформации (“сетка дислокаций”).
II Микротрещины.
III Дорожка после шлифовки.
IV Рельефный слой (0,5-1,0 мкм).
V Приповерхностный слой (1,0-2,0 мкм).
VI Основной материал.

Рис. 3 Утонение методом кислотного травления
I Установка шлифовки обратной стороны.
I.I Грубая шлифовка.
I.II Тонкая шлифовка.
II Установка травления (HF/HNO₃/H₂SiO4)
III Критический момент для пластины создаётся при её переносе.
IV Минимальная толщина пластины 120-150 мкм.

Новая технология производства ультратонких пластин совсем недавно была представлена рынку, технология осуществляется на оборудовании компании Accretech. Технология подразумевает под собой тонкую полировку для удаления микроповреждений без применения химических реагентов.

Процесс полировки в принципе подобен используемым в настоящее время методам шлифовки. Полирующее вещество подается на вращающийся диск с прикрепленными к нему мягкими площадками, диск прижимается к полируемой пластине, удерживаемой на держателе. Этот метод объединяет в себе химический и механический процессы, проходящие на уровне молекул и атомов. В качестве полировального раствора используется коллоидный раствор оксида кремния в гидроксиде аммония (NH4OH), который обычно смешивается с деионизированной водой в соотношении 1:20. Размер частиц обычно не превышает 100 нм.

Цель полирования кремниевой пластины – добиться абсолютно гладкой поверхности. После процесса полирования на поверхности не должно оставаться никаких загрязнений или трещин, что и показывает проверка электронным микроскопом (Рис.4 Поперечное сечение отполированной пластины после снятия 2 мкм). Это означает, что процесс полировки в своей основе отличается от процесса шлифовки, после него не образуются хрупкие поверхности, следовательно, его можно считать безопасным способом.

Рис.4 Поперечное сечение отполированной пластины после снятия 2 мкм

Оборудование компании Accretech позволяет выполнять полировку ультратонких пластин, при этом оборудование компании позволяет выполнять несколько процессов на одной установке – грубая шлифовка, тонкая шлифовка, полировка и очистка пластины, при этом пластина на протяжении всего процесса остается на одном держателе. Благодаря этому снижается риск поломки пластин, а толщина пластин может доходить до 30 мкм и менее.

Рис. 5 Установка PG200

Установка модели PG200 позволяет выполнять шлифовку и полировку пластин, сочетая два процесса в одной установке (Рис. 5 Установка PG200). Основой системы является вращающийся столик с 4 держателями. По завершении одного из этапов столик поворачивается на 90 градусов, тем самым перенося пластину на следующий этап. Последовательность этапов следующая: столик загрузки/разгрузки, этап грубой шлифовки, этап тонкой шлифовки, этап полировки, столик загрузки/разгрузки. В течение всего процесса ведется мониторинг пластины, чтобы обеспечить требуемую толщину и однородность, кроме этого отслеживаются все остальные параметры, а система регулирует температуру и движение диска.

Система PG200 выгодно отличается малой занимаемой площадью. Еще одним преимуществом машины является тот факт, что в ней не используются опасные химические реагенты, т.е. система не несет никакой опасности для окружающей среды.

Получите подробную информацию о технических характеристиках, ценах и условиях поставки оборудования, направив