eng
Выпуск #6/2025
Д. Суханов
ПРЕЦИЗИОННОЕ УТОНЕНИЕ ПЛАСТИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОМЕЖУТОЧНОГО НОСИТЕЛЯ ИЗ СТЕКЛА
ПРЕЦИЗИОННОЕ УТОНЕНИЕ ПЛАСТИН С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОМЕЖУТОЧНОГО НОСИТЕЛЯ ИЗ СТЕКЛА
Просмотры: 976
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.247.6.126.132
Рассматриваются методы прецизионного утонения полупроводниковых пластин и обосновывается целесообразность применения подложки из стекла. Анализируется влияние упругих характеристик и коэффициентов теплового расширения на деформацию двуслойной структуры, исследуются напряжения, возникающие при демонтаже пластины, для проверки надежности стеклянного носителя.
Рассматриваются методы прецизионного утонения полупроводниковых пластин и обосновывается целесообразность применения подложки из стекла. Анализируется влияние упругих характеристик и коэффициентов теплового расширения на деформацию двуслойной структуры, исследуются напряжения, возникающие при демонтаже пластины, для проверки надежности стеклянного носителя.
Теги: bilayer plate cte glass carrier mechanical debonding precision thinning tensile strength двуслойная пластина ктр механический дебондинг предел прочности прецизионное утонение стеклянный носитель
Прецизионное утонение пластин с использованием промежуточного носителя из стекла
Д. Суханов
В статье рассматриваются технологии прецизионного утонения полупроводниковых пластин и обосновываются преимущества выбора промежуточного носителя из стекла. Анализируется влияние разности коэффициентов теплового расширения и других параметров на деформации двуслойной структуры, состоящей из пластины и носителя. Уделено внимание вопросам безопасного демонтажа носителя.
Для чего необходимо применять промежуточные носители и как выглядит идеальная пластина-носитель?
Когда требуемая конечная толщина пластины превышает 200 мкм, для утонения обратной стороны используются гибкие носители (пленки). В случае, если требуемая толщина пластины менее 200 мкм – применяется жесткий носитель (пластина).
Последующие процессы после утонения (сухое травление, осаждение металлов и диэлектриков) проходят при повышенных температурах. Различия в коэффициентах теплового расширения (КТР) носителя и пластины вызывают деформацию стека, приводящую к нежелательным последствиям, включая поломку пластины.
Идеальная пластина-носитель должна иметь КТР, соответствующий КТР пластины, подлежащей утонению.
Что влияет на деформацию пластин?
Используем упрощенную формулу для оценки деформации двуслойной структуры в зависимости от свойств материалов. Предположим, что слой пластины после утонения значительно тоньше, чем носитель. Тогда выражение для деформации будет следующим:
ω≈0,75L2 ∆α∆T , (1)
где нижний индекс s используется для обозначения свойств материала пластины, подлежащей утонению: Es – модуль Юнга; ts – толщина пластины; υs – коэффи-
циент Пуассона; ∆α – разность КТР двух слоев; нижний индекс g использован для несущей пластины для тех же параметров соответственно; L – размер носителя.
Деформация линейно пропорциональна несоответствию КТР (∆α), а также разности температур монтажа (Тпроц) и эксплуатации (Ткомн), обратно пропорциональна модулю Юнга носителя и квадрату толщины носителя. На рис. 1 представлены графики зависимостей деформации двуслойной структуры от несоответствия КТР ∆α (рис.1а), модуля Юнга носителя Eg (рис. 1б), толщины носителя tg (рис. 1в). Параметры Es = 20 ГПа, νg = 0,22, νs = 0,35, ts = 0,15 мм, Ткомн = 20 °С, Тпроц = 250 °С, L = 300 мм оставались постоянными.
Преимущества стекла
как материала для носителя
КТР (наиболее важный параметр)
В табл. 1 представлены значения КТР типовых материалов пластин, используемых на полупроводниковом производстве. В зависимости от состава, КТР стекла может варьироваться в широком диапазоне, вплоть до крайне малых значений ~0,2 мкм/°C.
Модуль Юнга
Эффективный параметр для управления деформацией если идеальное соответствие КТР невозможно. Стекло характеризуется модулем Юнга в диапазоне 65–75 ГПа, высокотехнологичные марки – вплоть до 140 ГПа.
Толщина носителя
Поскольку квадрат толщины носителя находится в знаменателе формулы (1), данный параметр крайне эффективен для управления деформацией, особенно в диапазоне значений толщин 0,5–1,0 мм.
Стекло является идеальным материалом-носителем, поскольку может обеспечить КТР, соответствующий утоняемой пластине. Его относительно высокий модуль Юнга и возможность оптимизации толщины в соответствии с конкретными условиями применения также являются ключевыми преимуществами. Прозрачность позволяет проводить лазерный дебондинг и упрощает контроль качества монтажа. Стекло дает возможность достичь низкого разброса общей толщины и пригодно для повторного использования. В табл. 2 приведено сравнение характеристик стекла, кремния (Si) и пленки BGT (backgrinding tape).
На рис. 2 представлены характеристики разработанных компанией Corning Inc. стеклянных пластин, которые покрывают диапазон КТР 3–13 мкм/°C. Продукт Advanced Packaging Carriers (APC) – линейка стеклянных пластин, характеризующихся большим модулем Юнга и толщинами до 2 мм.
Механическое отделение – демонтаж (дебондинг) стеклянного носителя
Прозрачность стеклянных пластин-носителей позволяет проводить процесс демонтажа при помощи лазера, при этом их преимущества для механического дебондинга часто остаются без должного внимания.
Стекло также обеспечивает возможность применять визуальный контроль после монтажа пластины на носитель. Эффективность монтажа можно легко проверить путем оптического контроля дефектов.
Общий ход процесса работы с держателями из стекла на современных системах для механического дебондинга показан на рис. 3 (обрезка кромок, монтаж на носитель, утонение обратной стороны, монтаж на ленту, демонтаж с носителя).
КТР стекла хорошо соответствует КТР Si в типовом температурном диапазоне, используемом для утонения Si и обработки после утонения.
Рассмотрим общий технологический процесс с утонением до 50 мкм. Перед монтажом Si-пластины на стеклянный носитель выполняют обрезку ее кромок для предотвращения сколов кромок в процессе шлифовки. Далее наносят адгезивный материал и выполняют монтаж пластины на носитель. Затем проводят визуальный метрологический контроль однородности толщины клея и приступают к процессу утонения. При этом выполняют метрологический контроль процесса утонения, чтобы гарантировать толщину Si-пластины 50 мкм с ожидаемым допуском.
На следующем этапе пластину устанавливают на ленту для последующего процесса резки перед окончательным процессом механического демонтажа. Этот этап, в зависимости от технологии и производителя оборудования, может проводиться и после процесса демонтажа.
Наконец, сам процесс механического демонтажа. Различные производители применяют разнообразные подходы к данному процессу. Кто-то использует термический сдвиг, кто-то – клиновидный инициатор процесса демонтажа. В обоих случаях пластины фиксируются вакуумом, но для второго варианта существует риск повреждения стеклянного носителя, так как он будет подвергаться деформации в вертикальном направлении.
Условия обработки кромки
и процесс утонения
На рис. 4 в упрощенном виде показаны процессы обрезки кромки, монтажа на носитель и утонения.
Перед монтажом на носитель необходимо обработать кромку кремниевой пластины для снижения риска межфазного расслоения и сколов кромок в процессе утонения. Профиль с обрезанными краями имеет ширину 100 мкм и глубину 50 мкм.
После монтажа выполняется многоэтапный процесс утонения. Первый шаг – грубое удаление большей части толщины до ~100 мкм. Второй шаг – использование шлифовального круга с мелким зерном для шлифовки до толщины ~52 мкм. Последний шаг – использование специальной суспензии для точной и медленной полировки Si-пластины до заданной толщины 50 мкм. На рис. 5 показан результат монтажа пластины на стеклянный носитель.
На рис. 6 представлен результат процесса механического демонтажа пластин со стеклянного носителя. Процесс демонтажа прошел успешно. Видны лишь остатки адгезива, которые можно удалить. При таком процессе стеклянный носитель можно использовать многократно.
Крайне важным фактором для успешного осуществления процесса механического демонтажа является точный расчет напряжений в стеклянном носителе и пластине.
Напряжение изгиба, возникающее в пластине во время демонтажа, может быть рассчитано и сопоставлено с пределом прочности кромки для оценки риска разрушения стеклянного носителя. Напряжение изгиба, возникающее на краю стекла, можно оценить по радиусу кривизны с помощью теории изгиба с использованием следующей формулы:
σ = tE/2r, (2)
где t – толщина пластины; E – модуль Юнга стеклянной пластины; r – радиус кривизны.
Если принять, что деформация является цилиндрической, то радиус кривизны можно рассчитать по формуле:
r = (l2 – h2)/2h, (3)
где h – высота подъема; l – расстояние между характерными точками поворота (рис. 7).
Рассчитанные значения радиуса кривизны для типовых высот подъема и расстояний l приведены в табл. 3.
Наименьший радиус составляет 307 мм, при подъеме 2 мм и расстоянии между характерными точками поворота 35 мм. На рис. 7 представлено схематическое изображение изгиба стекла во время процесса дебондинга.
На рис. 8 показаны графики зависимостей напряжений изгиба от радиусов кривизны для стеклянных пластин двух толщин: 0,5 и 0,7 мм. Горизонтальная синяя линия указывает на значение нижнего предела прочности краев стеклянных пластин. Как видно по рис. 8, нижний предел прочности намного выше, чем напряжение, создаваемое при наименьшем радиусе кривизны 307 мм в процессе дебондинга (отмечено синей стрелкой). Таким образом, стеклянную пластину можно безотказно использовать в процессе дебондинга. При достижении напряжения изгиба нижнего предела прочности радиусы кривизны составили бы 167 и 234 мм для пластин с толщинами 0,5 и 0,7 мм соответственно.
Итоги применения промежуточного носителя из стекла
Для утонения полупроводниковых пластин стекло является идеальным материалом-носителем и обладает следующими особенностями:
Для развития отрасли необходимо использование сильно утоненных пластин. В будущем лазерный дебондинг станет основным процессом демонтажа пластины с носителя.
Применение носителя, который совместим с текущими процессами механического дебондинга и соответствует планам будущего развития, позволит компаниям сэкономить время и затраты на разработку.
ЛИТЕРАТУРА
Brueckner J., Gaab A., Lin S., Chang E., Ono T., Singh V., Zhang J., Tussing S., Spiess W. Enabling wafer thinning using a glass carrier // Chip Scale Review. March – April, 2021.
Д. Суханов
В статье рассматриваются технологии прецизионного утонения полупроводниковых пластин и обосновываются преимущества выбора промежуточного носителя из стекла. Анализируется влияние разности коэффициентов теплового расширения и других параметров на деформации двуслойной структуры, состоящей из пластины и носителя. Уделено внимание вопросам безопасного демонтажа носителя.
Для чего необходимо применять промежуточные носители и как выглядит идеальная пластина-носитель?
- Трехмерная стековая память использует Si-пластины, которые утоняются до толщин менее 50 мкм, чтобы обеспечить требуемые межсоединения (TSV – through silicon via);
- биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT – Insulated-gate bipolar transistor) используют в своей основе утоненные пластины для реализации их структур в вертикальной плоскости;
- компоненты для мобильных устройств перед корпусированием утоняются, чтобы они соответствовали ограничениям по высоте.
Когда требуемая конечная толщина пластины превышает 200 мкм, для утонения обратной стороны используются гибкие носители (пленки). В случае, если требуемая толщина пластины менее 200 мкм – применяется жесткий носитель (пластина).
Последующие процессы после утонения (сухое травление, осаждение металлов и диэлектриков) проходят при повышенных температурах. Различия в коэффициентах теплового расширения (КТР) носителя и пластины вызывают деформацию стека, приводящую к нежелательным последствиям, включая поломку пластины.
Идеальная пластина-носитель должна иметь КТР, соответствующий КТР пластины, подлежащей утонению.
Что влияет на деформацию пластин?
Используем упрощенную формулу для оценки деформации двуслойной структуры в зависимости от свойств материалов. Предположим, что слой пластины после утонения значительно тоньше, чем носитель. Тогда выражение для деформации будет следующим:
ω≈0,75L2 ∆α∆T , (1)
где нижний индекс s используется для обозначения свойств материала пластины, подлежащей утонению: Es – модуль Юнга; ts – толщина пластины; υs – коэффи-
циент Пуассона; ∆α – разность КТР двух слоев; нижний индекс g использован для несущей пластины для тех же параметров соответственно; L – размер носителя.
Деформация линейно пропорциональна несоответствию КТР (∆α), а также разности температур монтажа (Тпроц) и эксплуатации (Ткомн), обратно пропорциональна модулю Юнга носителя и квадрату толщины носителя. На рис. 1 представлены графики зависимостей деформации двуслойной структуры от несоответствия КТР ∆α (рис.1а), модуля Юнга носителя Eg (рис. 1б), толщины носителя tg (рис. 1в). Параметры Es = 20 ГПа, νg = 0,22, νs = 0,35, ts = 0,15 мм, Ткомн = 20 °С, Тпроц = 250 °С, L = 300 мм оставались постоянными.
Преимущества стекла
как материала для носителя
КТР (наиболее важный параметр)
В табл. 1 представлены значения КТР типовых материалов пластин, используемых на полупроводниковом производстве. В зависимости от состава, КТР стекла может варьироваться в широком диапазоне, вплоть до крайне малых значений ~0,2 мкм/°C.
Модуль Юнга
Эффективный параметр для управления деформацией если идеальное соответствие КТР невозможно. Стекло характеризуется модулем Юнга в диапазоне 65–75 ГПа, высокотехнологичные марки – вплоть до 140 ГПа.
Толщина носителя
Поскольку квадрат толщины носителя находится в знаменателе формулы (1), данный параметр крайне эффективен для управления деформацией, особенно в диапазоне значений толщин 0,5–1,0 мм.
Стекло является идеальным материалом-носителем, поскольку может обеспечить КТР, соответствующий утоняемой пластине. Его относительно высокий модуль Юнга и возможность оптимизации толщины в соответствии с конкретными условиями применения также являются ключевыми преимуществами. Прозрачность позволяет проводить лазерный дебондинг и упрощает контроль качества монтажа. Стекло дает возможность достичь низкого разброса общей толщины и пригодно для повторного использования. В табл. 2 приведено сравнение характеристик стекла, кремния (Si) и пленки BGT (backgrinding tape).
На рис. 2 представлены характеристики разработанных компанией Corning Inc. стеклянных пластин, которые покрывают диапазон КТР 3–13 мкм/°C. Продукт Advanced Packaging Carriers (APC) – линейка стеклянных пластин, характеризующихся большим модулем Юнга и толщинами до 2 мм.
Механическое отделение – демонтаж (дебондинг) стеклянного носителя
Прозрачность стеклянных пластин-носителей позволяет проводить процесс демонтажа при помощи лазера, при этом их преимущества для механического дебондинга часто остаются без должного внимания.
Стекло также обеспечивает возможность применять визуальный контроль после монтажа пластины на носитель. Эффективность монтажа можно легко проверить путем оптического контроля дефектов.
Общий ход процесса работы с держателями из стекла на современных системах для механического дебондинга показан на рис. 3 (обрезка кромок, монтаж на носитель, утонение обратной стороны, монтаж на ленту, демонтаж с носителя).
КТР стекла хорошо соответствует КТР Si в типовом температурном диапазоне, используемом для утонения Si и обработки после утонения.
Рассмотрим общий технологический процесс с утонением до 50 мкм. Перед монтажом Si-пластины на стеклянный носитель выполняют обрезку ее кромок для предотвращения сколов кромок в процессе шлифовки. Далее наносят адгезивный материал и выполняют монтаж пластины на носитель. Затем проводят визуальный метрологический контроль однородности толщины клея и приступают к процессу утонения. При этом выполняют метрологический контроль процесса утонения, чтобы гарантировать толщину Si-пластины 50 мкм с ожидаемым допуском.
На следующем этапе пластину устанавливают на ленту для последующего процесса резки перед окончательным процессом механического демонтажа. Этот этап, в зависимости от технологии и производителя оборудования, может проводиться и после процесса демонтажа.
Наконец, сам процесс механического демонтажа. Различные производители применяют разнообразные подходы к данному процессу. Кто-то использует термический сдвиг, кто-то – клиновидный инициатор процесса демонтажа. В обоих случаях пластины фиксируются вакуумом, но для второго варианта существует риск повреждения стеклянного носителя, так как он будет подвергаться деформации в вертикальном направлении.
Условия обработки кромки
и процесс утонения
На рис. 4 в упрощенном виде показаны процессы обрезки кромки, монтажа на носитель и утонения.
Перед монтажом на носитель необходимо обработать кромку кремниевой пластины для снижения риска межфазного расслоения и сколов кромок в процессе утонения. Профиль с обрезанными краями имеет ширину 100 мкм и глубину 50 мкм.
После монтажа выполняется многоэтапный процесс утонения. Первый шаг – грубое удаление большей части толщины до ~100 мкм. Второй шаг – использование шлифовального круга с мелким зерном для шлифовки до толщины ~52 мкм. Последний шаг – использование специальной суспензии для точной и медленной полировки Si-пластины до заданной толщины 50 мкм. На рис. 5 показан результат монтажа пластины на стеклянный носитель.
На рис. 6 представлен результат процесса механического демонтажа пластин со стеклянного носителя. Процесс демонтажа прошел успешно. Видны лишь остатки адгезива, которые можно удалить. При таком процессе стеклянный носитель можно использовать многократно.
Крайне важным фактором для успешного осуществления процесса механического демонтажа является точный расчет напряжений в стеклянном носителе и пластине.
Напряжение изгиба, возникающее в пластине во время демонтажа, может быть рассчитано и сопоставлено с пределом прочности кромки для оценки риска разрушения стеклянного носителя. Напряжение изгиба, возникающее на краю стекла, можно оценить по радиусу кривизны с помощью теории изгиба с использованием следующей формулы:
σ = tE/2r, (2)
где t – толщина пластины; E – модуль Юнга стеклянной пластины; r – радиус кривизны.
Если принять, что деформация является цилиндрической, то радиус кривизны можно рассчитать по формуле:
r = (l2 – h2)/2h, (3)
где h – высота подъема; l – расстояние между характерными точками поворота (рис. 7).
Рассчитанные значения радиуса кривизны для типовых высот подъема и расстояний l приведены в табл. 3.
Наименьший радиус составляет 307 мм, при подъеме 2 мм и расстоянии между характерными точками поворота 35 мм. На рис. 7 представлено схематическое изображение изгиба стекла во время процесса дебондинга.
На рис. 8 показаны графики зависимостей напряжений изгиба от радиусов кривизны для стеклянных пластин двух толщин: 0,5 и 0,7 мм. Горизонтальная синяя линия указывает на значение нижнего предела прочности краев стеклянных пластин. Как видно по рис. 8, нижний предел прочности намного выше, чем напряжение, создаваемое при наименьшем радиусе кривизны 307 мм в процессе дебондинга (отмечено синей стрелкой). Таким образом, стеклянную пластину можно безотказно использовать в процессе дебондинга. При достижении напряжения изгиба нижнего предела прочности радиусы кривизны составили бы 167 и 234 мм для пластин с толщинами 0,5 и 0,7 мм соответственно.
Итоги применения промежуточного носителя из стекла
Для утонения полупроводниковых пластин стекло является идеальным материалом-носителем и обладает следующими особенностями:
- обеспечение соответствующего КТР пластины;
- гибкость в выборе толщины для минимизации изменения формы во время утонения и обработки после утонения;
- прозрачность для упрощения контроля качества процесса;
- совместимость с различными технологиями дебондинга.
Для развития отрасли необходимо использование сильно утоненных пластин. В будущем лазерный дебондинг станет основным процессом демонтажа пластины с носителя.
Применение носителя, который совместим с текущими процессами механического дебондинга и соответствует планам будущего развития, позволит компаниям сэкономить время и затраты на разработку.
ЛИТЕРАТУРА
Brueckner J., Gaab A., Lin S., Chang E., Ono T., Singh V., Zhang J., Tussing S., Spiess W. Enabling wafer thinning using a glass carrier // Chip Scale Review. March – April, 2021.
Отзывы читателей
