BADANIA NAD MECHANICZNYM I CHEMICZNYM POCIENIANIEM TERMICZNIE POŁĄCZONYCH PŁYTEK KRZEMOWYCH

Transkrypt

1 PL ISSN MATERIAŁY ELEKTRONICZNE T NR BADANIA NAD MECHANICZNYM I CHEMICZNYM POCIENIANIEM TERMICZNIE POŁĄCZONYCH PŁYTEK KRZEMOWYCH Bronisław Piątkowski', Piotr Zabierowski', Artur Miros' Przeprowadzono badania nad mechanicznym i chemicznym pocienianiem termicznie łączonych płytek krzemowych metodą pocieniania w procesie szlifowania mechanicznego oraz trawienia alkalicznego i kwaśnego.. WSTĘP Podstawowe zagadnienia dotyczące termicznego łączenia płytek przedstawiono w artykule zamieszczonym w nerze Materiałów Elektronicznycłi" w roku 99. W artykule tym przedstawiono mechanizm powstawania połączenia płytek, reakcje zachodzące podczas wygrzewania, metody testowania połączeń - wytrzymałości na rozciąganie i rozszczepianie połączonych płytek, oraz oceny jakości połączenia metodą prześwietlania w podczerwieni. Przedstawiono również wyniki wstępnych prób łączenia płytek o średnicy ". W latach w ITME przeprowadzono badania nad łączeniem termicznym płytek o średnicy " i " oraz nad ich pocienianiem. W wyniku tych badań opracowano technologię wytwarzania płytek połączonych, a następnie pocienianych.. WYMAGANIA DLA PŁYTEK TERMICZNIE POŁĄCZONYCH Płytki połączone, gdzie na granicy łączenia znajduje się tlenek (SOI - Silicon on Insulator) mają duże zastosowanie w produkcji układów np. MOS, CMOS, MOSFET. Powierzchnię jednej z płytek pocienia się (np. dla struktur MOS grubość pozostającej na tlenku wynosi ~ ) i na tej cienkiej warstwie tworzy się struktury. Zaletą tak wykonanych płytek jest podłoże " Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, ul. Wólczyńska, 0-99 Warszawa, zabier_p@itme.edu.pl

2 Badania nad mechanicznym i chemicznym pocienianiem... izolacyjne oraz możliwość tworzenia mniejszych struktur. Płytka podłożowa (nie pocieniana) służy również do odprowadzania ciepła z układu. Inne zastosowania takich płytek to produkcja czujników. Są to np. czujniki naprężeń, pomiaru ciśnienia, przepływu itp. Do tych celów płytki są również pocieniane. Podobne zastosowanie mają płytki łączone termicznie bez tlenku. W T a b. l zamieszczono przykładowe wymagania dla k r z e m o w e j c z y n n e j płytek p o ł ą c z o n y c h w zależności od p r z e z n a c z e n i a. P r z e d s t a w i o n o również sposoby ich pocieniania []. Tabela. Typowe wymagania warstw pocienianych dla różnych wyrobów i odpowiadające im sposoby pocieniania płytek. Table. Typical requirements of silicon device layers by various applications and the corresponding thinning technologies. Tolerancja Czujniki Bipolarne przyrządy mocy Bipolarne przyrządy mocy 0 dużej szybkości oraz BiCMOS CMOS VLSI -0 im - p m - 0,-0,0 im +/- im +/- 0, n m +/-0, +/- % Mechaniczne pocienianie Miejscowe po erowanie lub trawienie Jak widać z Tab.l wymagania dotyczące geometrii płytek są bardzo wysokie, co szczególnie dotyczy płytek BiCMOS i C M O S VLSI. Dla płytek przeznaczonych do produkcji czujników oraz przyrządów mocy wymagania dotyczące parametrów geometrycznych są już niższe, a na pewne urządzenia mogą być znacznie niższe niż podano w T a b. l. Do produkcji płytek o najwyższych wymaganiach stosuje się specjalne urządzenia do polerowania lub do trawienia plazmowego. Najpierw wykonywane są pomiary (mapa powierzchni), a następnie w odpowiednich miejscach usuwany jest materiał. Dla dwóch pierwszych rodzajów płytek (czujniki, bipolarne przyrządy mocy) stosuje się n a j c z ę ś c i e j pocienianie m e c h a n i c z n e, na które składają się trzy operacje: szlifowanie, trawienie oraz polerowanie. Szlifowanie tradycyjne za pomocą proszków szlifierskich (lapping) zastępuje się obecnie szlifowaniem tarczami diamentowymi (grinding). Szlifowanie takie zapewnia lepszą kontrolę i mniejsze uszkodzenia p o d p o w i e r z c h n i o w e j. Płytki w tej operacji szlifowane są indywidualnie. Uszkodzenia podpowierzchniowe po tej operacji wynoszą od kilku mikronów do wielkości submikronowych w zależności od wielkości ziarna diamentu w stosowanej tarczy. Po operacji szlifowania płytki są chemicznie trawione dla usunięcia uszkodzonej, a na

3 B. Piątkowski, P. Zabierowski, A. Miros stępnie polerowane mechaniczno-chemicznie. Podczas polerowania osiąga się założoną grubość oraz odpowiednią gładkość powierzchni. Do operacji tej zaczyna się stosować polerki jednopłytkowe (polerowanie indywidualne k a ż d e j płytki), co zapewnia dużo lepszą kontrolę. Oprócz podanej powyżej metody pocieniania mechanicznego stosuje się również metodę pocieniania poprzez trawienie powierzchni jednej z połączonych płytek.. OPIS PRZEPROWADZONYCH PRÓB Sposób łączenia płytek został opracowany w poprzednim etapie. W obecn y m etapie z a j m o w a n o się b a d a n i a m i nad m e t o d a m i p o c i e n i a n i a j e d n e j z połączonych termicznie płytek do wymaganej. Przy o b e c n i e p o s i a d a n y m parku m a s z y n o w y m I T M E w granicach j e g o możliwości jest wykonywanie płytek przeznaczonych do wyrobu c z u j n i k ó w lub przyrządów mocy. Wymagania na takie płytki są następujące: czujniki grubość -, zalecana tolerancja +/- ; przyrządy mocy - grubość jim, zalecana tolerancja +/- 0,. Tak wąski zakres wymagany jest dla płytek o bardzo cienkiej, dla grubszych warstw wymagania są łagodniejsze. Biorąc pod uwagę możliwości techniczne ITME założono uzyskanie płytek o ach warstw 0-0 z tolerancją +/- ^im. Badania prowadzono dla płytek o średnicach i. Przygotowanie płytek oraz sposób ich łączenia prowadzono zgodnie z opracowaną technologią. Parametry g e o m e t r y c z n e płytek (grubość, tolerancja, T T V - Total Thickness Variation - c a ł k o w i t a zmiana ) d o b i e r a n o tak, aby po połączeniu m o ż n a było d y s p o n o w a ć partiami płytek ( - sztuk) o różnicach +/- oraz nie przekraczającym jm. Wielkość - ma bardzo duże znaczenie przy wykonywaniu cienkich warstw. Jeśli płytki m a j ą zbyt wysokie może się zdarzyć tak, że w krańcowym przypadku pocieniana warstwa będzie miała obszary materiału całkowicie usunięte i w tych miejscach odsłonięta zostanie warstwa tlenku. Tak wybrane partie płytek p o d d a w a n o wybranej operacji pocieniania mechanicznego lub chemicznego, a następnie polerowano do uzyskania o d p o w i e d n i e j i jakości powierzchni. Po poszczególnych operacjach mierzono grubość płytek oraz błąd płaskorównoległości (wyniki przedstawiono w Tab. -). Przebadano dwa sposoby pocieniania płytek - mechaniczne (szlifowanie) oraz poprzez trawienie c h e m i c z n e. Płytki otrzymane w wyniku tych operacji były następnie polerowane. Nie dysponując szlifierką do jednostronnego usuwania materiału za pomocą tarczy diamentowej (takie są obecnie najczęściej stosowane do tej operacji), pocieniano płytki na maszynie planetarnej, gdzie płytki szlifuje się w kasetach.

4 Badania nad mechanicznym i chemicznym pocienianiem... Płytki w takiej maszynie szlifowane są równocześnie z obu stron. Zapewnia to b a r d z o d o b r e p a r a m e t r y g e o m e t r y c z n e o t r z y m y w a n y c h płytek (Tab. ). Przy pocienianiu, najważniejszym parametrem jest ilość materiału usunięta ze strony c z y n n e j płytki. B a d a j ą c p o ł ą c z o n y c h płytek na przełomie stwierdzono, że materiał z obu stron połączonych płytek jest u s u w a n y niesymetrycznie w s p o s ó b p r z y p a d k o w y. P r z e p r o w a d z o n e p r ó b y dla ustalenia p r z y c z y n y tego zjawiska nie dały rezultatów i choć taki sposób szlifowania zapewnia najlepsze p a r a m e t r y g e o m e t r y c z n e m u s i a n o z niego z r e z y g n o w a ć. Tabela. Wyniki uzyskane w procesie pocieniania płytek poprzez szlifowanie dwustronne (planetarne). Przedstawione wyniki obejmują partie płytek, z których usunięto różne ilości materiału. Podane wyniki są średnimi wielkościami dla danej. Płytki do szlifowania były dobierane w zakresach ±. Table. Smary of the results from mechanical thinning by two sides lapping (in carriers). Płytka do»cieniania Ner,, (im Płytka DO Docienianiu materiału pocienianej Następne próby pocieniania w y k o n y w a n o na tej s a m e j szlifierce planetarnej z tą różnicą, że płytki były s z l i f o w a n e tylko z j e d n e j strony (jedną tarczą). Płytki w k ł a d a n o do otworów w plastikowej kasecie szlifierskiej o m m. D o c i s k do tarczy s z l i f i e r s k i e j r e a l i z o w a n o za p o m o c ą o b c i ą ż n i k ó w. Tą metodą szlifowano tylko płytkę pocienianą. Szybkość zbierania materiału była mniejsza niż przy szlifowaniu dwustronnym i wynosiła około 8 /min. Uzyskane parametry geometryczne szlifowanych płytek były tylko nieznacznie gorsze od o t r z y m y w a n y c h przy szlifowaniu d w u s t r o n n y m (Tab. ). P r z e p r o w a d z o n o r ó w n i e ż próby s z l i f o w a n i a strony c z y n n e j płytki przyklej o n e j d o b l o k u na s z l i f i e r c e p r z e z n a c z o n e j d o j e d n o s t r o n n e g o s z l i f o w a n i a. Metoda ta pozwala na szybkie usuwanie materiału ~ /min. U z y s k u j e się to p o p r z e z stosowanie w i ę k s z y c h n a c i s k ó w p o d c z a s p r o c e s u. P a r a m e t r y geom e t r y c z n e płytek s z l i f o w a n y c h tą m e t o d ą są j e d n a k g o r s z e od s z l i f o w a n y c h m e t o d a m i opisanymi w c z e ś n i e j (Tab. ).

5 B. Piątkowski, P. Zabierowski, A. Miros Tabela. Wyniki uzyskane w procesie pocieniania płytek poprzez szlifowanie jednostronne w kasetach. Przedstawione wyniki obejmują płytek, z których usunięto różne ilości materiału. Podane wyniki są średnimi wielkościami dla danej. Płytki do szlifowania były dobierane w zakresach ±. Table. Smary of the results from mechanical thinning by one side lapping (in carriers). 'łytka do pocieniania Ner,,, nm 8-H0 -^ ^jm Płytka c0 Docienianiu materiału Docienianei fim TV Tabela. Wyniki uzyskane w procesie pocieniania płytek poprzez szlifowanie jednostronne (płytki przyklejone do bloków). Przedstawione wyniki obejmują płytek, z których usunięto różne ilości materiału. Podane wyniki są średnimi wielkościami dla danej. Płytki do szlifowania były dobierane w zakresach ±. Table. Smary of the results from mechanical thinning by one side lapping (wafers mounting on the wax to lapping carrier). Płytka do )ocieniania Ner [jm im Płytka DO pocienianiu materiału pocienianei )jm jm Na płytkacłi po szlifowaniu występują duże naprężenia, które mogą nawet doprowadzić do ich pękania. Zależy to od sposobu obróbki - wielkości ziarna proszku szlifierskiego oraz stosowanego nacisku. Naprężenia te usuwa się w procesie trawienia, któremu poddaje się płytki przed polerowaniem. Drugą metodą pocieniania jest usuwanie materiału poprzez trawienie [-], Stosuje się w niej mieszanki trawiące alkaliczne lub kwaśne w zależności od orientacji krystalograficznej obrabianych płytek.

6 Badania nad mechanicznym i chemicznym pocienianiem... Do trawienia alkalicznego stosuje się 0-0% roztwór KOH w wodzie. Do trawienia kwaśnego najczęściej stosuje się mieszanki kwasów fluorowodorowego (9%), azotowego (0%), octowego (%) w stosunku ::8 (mieszanka --8) lub :: (mieszanka M T - ). Do pocieniania jednej ze stron połączonych płytek stosuje się maskowanie strony przeciwnej specjalną folią, woskiem lub nałożoną warstwą tlenku. Trawienie alkaliczne Do trawienia alkalicznego oprócz roztworów K O H można również stosować roztwory NaOH, NH^OH, roztwór E D P (etylenodwuamina-pyrokatechinawoda) oraz roztwór K O H z dodatkiem alkoholu izopropylowego o składzie % KOH, % HjO, % alkoholu izopropylowego. Trawienie w roztworach alkalicznych przy zdejmowaniu nawet dużej ilości materiału nie wpływa ujemnie na parametry geometryczne płytek. W procesach trawienia szybkość usuwania materiału zależy w dużym stopniu od temperatury roztworu. Dla trawienia alkalicznego optymalna temperatura wynosi ~0 C, przy której szybkość usuwania materiału wynosi - /min (w temperaturze loo^c -8 jim/min). Do trawienia stosuje się roztwory -%. Mieszanki alkaliczne można stosować do trawienia płytek krzemowych o orientacji () oraz (0). Płytki o orientacji () trawią się - 0 razy wolniej niż te o orientacji (). Szybkości trawienia mieszanki alkalicznej dla monokryształów krzemu o różnych orientacjach przedstawiają się następująco: (0) : () : () = 0 : 0 : w temperaturze C (0) : () : () = 0 : : w temperaturze pokojowej. Również dużo wolniej trawi się krzem domieszkowany borem o wyższej koncentracji. W p r z e p r o w a d z a n y m badaniu próby trawienia w o d n y m roztworem K O H oraz roztworem K O H z dodatkiem alkoholu izopropylowego. Badania prowadzono stosując różne stężenia mieszanek oraz trawienie w roztworach o różnej temperaturze. Miało to na celu dobranie warunków procesu, który zapewniał najlepsze parametry geometryczne trawionych płytek. Wyniki prób trawienia podano w Tab.. Trawienie kwaśne Do prób pocieniania stosowano mieszankę MT-, ponieważ mieszanka ta charakteryzuje się dużą szybkością trawienia. Szybkość usuwania materiału dla mieszanki MT- wynosi ~ 0 ^im/min. Mieszanka --8 trawi znacznie wolniej i np. z krzemu wysokodomieszkow a n e g o u s u w a - p m / m i n, a z k r z e m u o n i s k i e j k o n c e n t r a c j i d o m i e s z k i prawie razy mniej. Podczas prób trawienia nie udało się uzyskać parametrów geometrycznych płytek równie dobrych jak podczas trawienia alkalicznego. Wyniki prób zamieszczono w Tab..

7 B. Piątkowski, P. Zabierowski, A. Miros Tabela. Wyniki uzyskane w procesie pocieniania płytek poprzez trawienie w roztworach alkalicznycłi. Przedstawione wyniki obejmują płytek, z których usunięto różne ilości materiału. Podane wyniki są średnimi wielkościami dla danej. Płytki do trawienia były dobierane w zakresach ± ]im. Table. Smary of the results from chemical thinning ( alkaline etching). Płytka do oocieniania Ner,, fim u.m fjm Płytka DO Docienianiu materiału Docienianei p.m fjm pjn rrv jim Tabela. Wyniki uzyskane w procesie pocieniania płytek poprzez trawienie w mieszance kwaśnej MT-. Przedstawione wyniki obejmują płytek, z których usunięto różne ilości materiału. Podane wyniki są średnimi wielkościami dla danej. Płytki do trawienia były dobierane w zakresach ±. Table. Smary of the results from chemical thinning (acid etching). 'łytka do oocieniania Ner TV Jim Jim Płytka DO Docienianiu materiału Docienianei fjm (jm Jim Polerowanie końcowe płytek po operacjach pocieniania Płytki łączone, a następnie pocieniane powinny mieć stronę czynną polerowaną, a bierną trawioną lub również polerowaną. Płytki po operacjach pocieniania wymagały więc polerowania p r z y n a j m n i e j j e d n e j ze stron. Stronę czynną płytek p o c i e n i a n y c h p o l e r o w a n o m e c h a n i c z n o - c h e m i c z n i e u s u w a j ą c z powierzchni o k o ł o 0-0 k r z e m u. C h r o p o w a t o ś ć powierzchni po p o l e r o w a niu była mniejsza niż L.

8 Badania nad mechanicznym i chemicznym pocienianiem... Poważnym problemem podczas polerowania było wykruszanie się krawędzi płytek. Następuje to wówczas, kiedy grubość pocienionej dochodzi do 0-0. Przyczyną tego jest zaokrąglenie krawędzi płytek (tzw. krawędziowanie). Wyniki prób polerowania podano w Tab.. Tabela. Wyniki uzyskane w procesach polerowania łączonych płytek po pocienianiu różnymi metodami. Płytki szlifowane przed operacją polerowania były krótko trawione (usuwano ~ - jim materiału). Podane wyniki są średnimi wielkościami dla danej. Table. Smary of the resuhs from thinning wafers (after polishing). Płytki przed polerowaniem Ner i rodzaj obróbki + warstwa materiału Płytki po polerowaniu pocienianej szlifowanie dwustronne, 8+ 8 szlifowanie dwustronne +9 szlifowanie, 8+ szlifowana jednostronnie, +0 w kasetach szlifowana jednostronnie + 0 w kasetach szlifowana jednostronnie + 0 w kasetach szlifowanie jednostronnie przyklejane 8 szlifowanie jednostronnie przyklejane 9 trawione alkalicznie, trawione w roztworach +9 8 alkalicznych trawione w roztworach 0+ 8 kwaśnych trawione w roztworach kwaśnych

9 B. Piątkowski, P. Zabierowski, A. Miros. WNIOSKI Opracowano technologię łączenia oraz pocieniania płytek o średnicach oraz, na którą składało się przygotowanie płytek do łączenia, łączenie i wygrzewanie połączonych płytek oraz pocienianie jednej z płytek do wymaganej. Przeprowadzono badania nad pocienianiem płytek. Przebadano metody: mechaniczną (szlifowanie) oraz poprzez trawienie chemiczne. Najlepsze wyniki uzyskano dla płytek szlifowanych w kasetach (szlifierka planetarna) oraz trawionych alkalicznie. Metody szlifowania płytek przyklejonych do bloków oraz trawionych w mieszankach kwaśnych nie dały zadawalających rezultatów. Stosując dwie pierwsze metody, uzyskano płytki o parametrach zgodnych z założeniami tzn. otrzymano płytki pocienione do 0-0 jim o rozrzucie w granicach i ~ ^im. BIBLIOGRAFIA [] Properties of Crystalline Silicon - Datareview 8, and Etchback SOI [] Bengtsson S.: Semiconductor wafer bonding: A review of interfacial properties and applications. Journal of Electronic Materials., 8, (99) [] Lee H., Ju B.K.: On the anisotropically etched bonding interface of directly honded( ) silicon wafer pairs. J. Electrochem. Soc.,,, (99) THE INVESTIGATION OF THE MECHANICAL AND CHEMICAL THINNING OF SILICON BONDED WAFERS Smary The investigation of the mechanical and chemical thinning of the top wafers to the desired thickness was done. The method of thinning in lapping process and in alkali and acid etchant was investigated. 9