Производственный процесс изготовления микросхем (стр. 2 из 3)
Процесс кристаллизации происходит в две стадии: вначале при температурах, близких к Тc, происходит образование зародышей кристаллов, которые растут до определенных размеров и вызывают кристаллизацию других фаз в стекле. В результате образуется жесткий кристаллический каркас, препятствующий деформированию изделия и позволяющий вести дальнейший процесс при более высокой температуре (900—1100° С). На этой стадии изделия полностью и равномерно закристаллизовываются.
Термоситаллы получаются из стекол, систем MgO — Al2O3 — SiO2, CaO— А12O3 — SiO2 и других с добавкой TiO2, FeS и т. п. нуклеаторов. Стекломассу подвергают двух ступенчатой термообработке. На первой ступени обработки образуются и растут зародыши кристаллизации, создающие упрочняющий изделие каркас, при температуре равной 500 – 700 градусов Цельсия. На второй ступени при более высокой температуре (900 – 1100 градусов Цельсия) происходит окончательная кристаллизация стекла. Когда процесс ситаллизации закончен, детали охлаждают до комнатной температуры.
Структура ситаллов многофазная, состоит из зерен одной или нескольких кристаллических фаз, скрепленных между собой стекловидной прослойкой. Содержание кристаллической фазы колеблется от 30 до 95%. Размер оптимально развитых кристаллов обычно не превышает 1—2 мкм. По внешнему виду ситаллы могут быть непрозрачными и прозрачными (количество стеклофазы до 40%).
Свойства ситаллов определяются структурой и фазовым составом. Причина ценных свойств ситаллов заключается в их исключительной мелкозернистости, почти идеальной поликристаллической структуре. Свойства ситалла изотропны. В них совершенно отсутствует всякая пористость. Усадка при кристаллизации – до 2 %. Большая абразивная стойкость делает их малочувствительными к поверхностным дефектам. Стеклокристаллические материалы обладают высокой химической устойчивостью к кислотам и щелочам, не окисляются даже при высоких температурах. Они газонепроницаемы и обладают нулевым водопоглощением. Ситаллы относят к хрупким материалам, по твердости они приближаются к стали.
Свойства ситаллов:
1 Плотность 2.3 – 2.8 Мг/ м3
2 Водопоглощение 0.01%
3 Температурный коэффициент
линейного расширения (12-120) ·10-7 1/град
4 Удельная теплопроводность 7,4 — 16,9 ккал/(м·ч·град)
5 Температура текучести 750-1350° С.
6 Предел прочности при изгибе 50-260 МПа.
7 Электрическая прочность 25-75 МВ/м
8 Высокая термостойкость 500 - 900° С
Многие ситаллы обладают высокой химической стойкостью к действию сильных кислот и щелочей. Доступность сырья и невысокая технология получения обеспечивают невысокую стоимость изделия. По техническому назначению ситаллы можно подразделить на установочные и конденсаторные. Установочные ситаллы используют в качестве подножек ГИМ и дискретных пассивных элементов (н., тонкопленочных резисторов), деталей СВЧ- приборов и некоторых типов электронных ламп. Достоинством ситалловых конденсаторов являются повышенная электрическая прочность по сравнению с керамическими конденсаторами.
2. Технология получения подложек
2.1 Резка слитков на пластины
Для изготовления микросхем монокристаллический слиток ситалла должен быть разрезан на пластины. Для этого в качестве режущего инструмента применяют металлические диски с внутренней алмазной режущей кромкой (рис. 2.3). Толщина диска '0,1 ... ...0,15 мм. Слиток закрепляется на специальной оправке приклеиванием либо торца, либо цилиндрической поверхности. Способ резки зависит от вида крепления слитка (рис. 2.4,а, б). Режущий инструмент (диск) растягивается и закрепляется в специальном барабане на головке шпинделя станка для резки. Слиток разрезается кромкой с алмазной .крошкой при вращении шпинделя. Частота вращения шпинделя составляет 3000 ... 5000 об./мин. Скорость подачи слитка перпендикулярно оси режущего диска составляет 40... 50 мм/мин (для слитков диаметром более 60 мм—не более 20 ... 30 мм/мин). После отрезания очередной пластины с помощью автоматической системы происходит возврат слитка в исходное положение, а также перемещение его на заданный шаг.
Устройство для закрепления слитка позволяет поворачивать слиток в горизонтальной и вертикальной плоскостях на требуемые углы по отношению к плоскости вращения алмазного диска и тем самым обеспечивает ориентированную резку. Станок снабжен системой подачи воды для охлаждения режущего диска и вымывания отходов резки.
1 Металлический диск
2 Покрытие из алмазной крошки
Рисунок 1 – Диск с алмазным покрытием для резки монокристаллов.
1 Барабан
2 Диск
3 Алмазное покрытие
4 Оправка
5 Пластина
6 Слиток
Рисунок 2 – Способы резки слитков.
а) внутренний
б) гребенчатый
1 Дозирующее устройство с абразивной суспензией
2 Грузы
3 Головка
4 Пластины
5 Шлифовальщик
6 Направляющий ролик
Рисунок 3 – Схема плоскошлифовального станка и расположения головок.
2.2 Шлифовка и полировка
Поверхность пластин кремния, получаемых после резки, не удовлетворяет требованиям, которые предъявляются к качеству поверхности в планарной технологии. Исследованиями на электронографе установлено наличие приповерхностных слоев, не имеющих монокристаллической структуры. Это механические нарушенные слои, возникающие в результате воздействия абразивного материала, и лежащие под ними слои с большими механическими напряжениями. Толщина нарушенного слоя после резки диском составляет 10…30 мкм в зависимости от скорости вращения диска. А по требованиям технологии производства микронеровности на поверхности не должны превышать 0,02…0,1 мкм.
Шлифовка и полировка пластин производятся на плоскошлифовальных станках (см. рис. 3). В зависимости от типа используемого микропорошка выбирается материал поверхности шлифовальника. Для микропорошков М14…М5, используемых при шлифовке пластин, применяют стеклянный шлифовальник, при полировке алмазными микропорошками – специальные шлифовальники с поверхностью из тканевых материалов. При обработке пластин на рабочий шлифовальник устанавливаются три головки с наклеенными пластинами. Головки удерживаются от перемещения по шлифовальнику специальными направляющими кронштейнами с опорными роликами. За счет силы трения, возникающей между соприкасающимися поверхностями рабочего шлифовальника и головок, последние получают вращение вокруг своих осей. Это вращение головок создает условия для более равномерного шлифования или полирования.
При шлифование микропорошками М14…М5 используют водные суспензии с соотношением воды к абразиву 3 : 1. Поэтому в станке для шлифовки предусмотрены мешалка для перемешивания абразивной суспензии и капельница для ее дозирования. При полировке пластин алмазными микропорошками вместо водной суспензии используются смеси, приготовленные на основе масла МВП, или специальные алмазные пасты.
Принята определенная последовательность операций при механической обработке пластин, при которой учитывается, что толщина снимаемого слоя на каждой операции должна превышать толщину нарушенного слоя, образованного на предыдущей операции.
Таблица 1 – Последовательность операций шлифовки и полировки.
| Тип микропорошка | Толщина нарушенного слоя, мкм | Скорость удаления материала, мкм/мин |
| М 14 | 20…30 | 3 |
| М 10 | 15…25 | 1.5 |
| АСМ 3/2 | 9…1 | 0.5…1 |
| АСМ 1/0.5 | 5…7 | 0.35 |
При изготовлении пластины шлифуются с двух сторон, а полируются только с рабочей стороны.В целом механическая обработка пластин, удовлетворяющих требованиям технологии, приводит к большим потерям материала.
Важное значение имеет оптимизация процесса механической обработки с целью снижения временных затрат. Общее время обработки может быть снижено правильным выбором набора абразивных материалов и числа стадий обработки.
2.3 Расчёт
1 Определение суммарного припуска на механическую обработку.
Расчётная формула:
Z = Zгр.шл. + Zт. шл .+ Zпр.пол.+ Zф.пол. (1)
где Z — суммарный припуск на механическую обработку;
Zгр.шл — припуск на грубую шлифовку;
Zт.шл — припуск на точную шлифовку;
Zпр.пол — припуск на предварительную полировку;
Zф.пол — припуск на финишную полировку.
Данные по припускам берем из таблицы 1:
Zгр.шл =25 мкм;
Zт.шл = 20 мкм;
Zпр.пол = 6 мкм;
Zф.пол = 5мкм.
Z = 25 + 20 + 9 + 5 = 59 мкм.
2 Определение исходной толщины заготовки.
Расчётная формула:
L 
= L+ Z(2)
где L=0.35мм,
Z =56 мкм — суммарный припуск на механическую обработку.
L = 0.35 + 0.059 = 0.409 мм.
3 Определение массы заготовки.
Расчётная формула:
m = ρ·L ·S(3)
где ρ = (2.3…3)·103 кг/м3 – плотность ситалла,
m = 3·103· 60 · 48 · 0.409 · 10-9 = 0.0035 кг.
4 Определение массы платы.
m = ρ·L·S(4)
m = 3·103 ·24 ·30 · 0.35 · 10-9 = 7.5·10-4 кг.
3. Технология получения плат
3.1 Скрайбирование
Пластины на отдельные кристаллы разделяют путем скрайбирования и последующей ломки.
Метод скрайбирования заключается в нанесении на поверхность пластины со стороны структур рисок резцом в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Риски делают шириной 20 — 40 мкм и глубиной 10 — 15 мкм. Под рисками образуются напряженные области, и при слабом механическом воздействии подножка разламывается по нанесенным рискам.