Многофункциональный подложкодержатель для пластин, используемый при изготовлении монолитных интегральных схем

Полезная модель относится к области микроэлектроники. Устройство может быть использовано для проведения большинства технологических операций (например, фотолитография, реактивно-ионное травление, плазмохимическое травление, осаждение пленок методами PECVD). Использование данного устройства позволяет выпускать кремниевые чипы без перестройки технологического оборудования. Таким образом, обеспечивается возможность работы с пластинами любого диаметра. Также обеспечивается возможность работы с отдельными кристаллами (фрагментами пластин).
Известно техническое решение, которое относится к устройствам для вакуумной металлизации различных деталей [1]. Подложкодержатель состоит из корпуса, выполненного в форме эллипса из пружинного материала, снабженного проточками, причем проточки выполнены таким образом, что установленная в них полупроводниковая пластина контактирует с корпусом только своими краями. Для установки полупроводниковой пластины в держатель сжимают овал вдоль его большого диаметра и вводят в образовавшееся пространство между проточками полупроводниковую пластину. После снятия приложенного усилия корпус, выполненный из пружинного материала, расправляется и фиксирует в своих проточках полупроводниковую пластину.
К недостаткам этого технического решения можно отнести ограничение доступа к поверхности пластины во время проведения технологических операций из-за неизбежного закрывания части поверхности пластины эллипсовидным корпусом, что может привести, к примеру, к неполному покрытию поверхности при вакуумной металлизации или при нанесении фоторезиста на центрифуге. Конструкция не предусматривает возможность проведения групповых операций обработки пластин. Применение ограничено узким кругом задач - нанесением покрытий в вакууме. Также, существует значительная вероятность повреждения тонких пластин при использовании данного подложкодержателя вследствие механического воздействия пружинного материала корпуса на края пластины.
Аналогом заявленного устройства является держатель подложек, представляющий собой сплошное основание с посадочными площадками для подложек, соответствующими их габаритам и ограничительными бортиками, сформированными по их краям [2]. В области укладки подложек на посадочной поверхности выполнены углубления с, по меньшей мере, одним отверстием в дне для фиксации подложек. Полезная модель относится к дополнительной оснастке установки для получения тонких пленок и служит задаче обеспечения загрузки негабаритных подложек в PECVD и другие типы реакторов, воздействие которых может выдержать держатель подложек.
Данная полезная модель имеет ограничение по типам технологических операций. В конструкции присутствуют углубления в области посадочного места (выемки) под пластину, что повышает вероятность деформации тонких пластин во время вакуумной фиксации, таким образом присутствует ограничение по толщине применяемых пластин. Также к недостаткам полезной модели можно отнести ограниченную высоту бортов для удержания пластины в посадочном месте пластины, что увеличивает риск «вылета» пластины или сборки из пластин с посадочного места.
Наиболее близким по технической сущности является подложкодержатель для вакуумного напыления с секторальным формированием токопроводящего слоя по периферии полупроводниковой пластины, используемый при изготовлении СВЧ монолитных интегральных схем [3].
Ограничение прототипа состоит в обеспечении возможности работы с пластинами только одного заданного диаметра. Нет возможности надежной обработки фрагментов пластин из-за недостаточного уровня вакуума, что приводит к критической деформации пластины при динамической процессе.
К недостаткам прототипа можно отнести низкую надежность устройства, так как при операциях, связанных с вращением подложкодержателя, присутствует высокая вероятность «вылета» пластины с подложкодержателя.
Нельзя не отметить, что использование подложкодержателя ограничивается только двумя операциями. Из-за открытых областей большой площади отсутствует возможность транспортировки фрагментов пластин. Кроме того, каждый процесс является достаточно затратным, так как отсутствует возможность групповой обработки пластин.
Задачей настоящей полезной модели является увеличение надежности при сохранении механической целостности пластины в процессе ее обработки, расширение перечня проводимых технологических операций, обеспечение возможности транспортировки образца, обеспечение групповой обработки пластин или их фрагментов.
Поставленная задача решается за счет того, что формируется многофункциональный подложкодержатель для пластин, используемый при изготовлении монолитных интегральных схем, содержащий фаску по внешнему диаметру, причем включает в себя паз по внутреннему диаметру, форма которого аналогична форме стандартной полупроводниковой пластины, а также форма многофункционального подложкодержателя аналогична форме стандартной полупроводниковой пластины.
Наличие паза позволяет проводить множество операций, в которых требуется вакуумное присасывание по всей площади поверхности подложкодержателя во время обработки. Кроме того, при вращении (например, для нанесения фоторезиста на центрифуге) минимизируется вероятность «вылета» пластин или их фрагментов с подложкодержателя, приводящая к критической деформации пластин или их фрагментов, то есть увеличивается надежность. Дополнительно обеспечивается возможность групповой обработки пластин или их фрагментов и возможность транспортировки, так как фрагменты не проваливаются в открытую область. При этом, как и в прототипе, паз сохраняет функцию точного позиционирования пластины или ее фрагментов произвольной формы и глубины.
Также в отличие от прототипа форма паза аналогична форме стандартной полупроводниковой пластины. Это позволяет увеличить площадь контакта между многофункциональным поддожкодержателем и пластиной при ее обработке. Вследствие этого, минимизируется вероятность «вылета» пластины из паза при обработке, то есть увеличивается надежность.
В данной полезной модели форма многофункционального подложкодержателя аналогична форме стандартной полупроводниковой пластины. Это позволяет значительно увеличить совместимость автоматизированного оборудования и многофункционального подложкодержателя. Поэтому расширяется перечень проводимых технологических операций и обеспечивается возможность групповой обработки пластин или их фрагментов. Форма подложкодержателя схожа с пластиной со стандартными габаритными размерами. Автоматизированный робот-загрузчик захватывает подложкодержатель с пластиной или фрагментом пластины для обработки и перемещает в рабочую камеру как стандартную пластину. В результате нет зависимости габаритных размеров подложкодержателя и пластины от типа установки для технологической обработки.
Использование полезной модели дает возможность компании, работающей, например, на технологическом оборудовании для обработки пластин 076 мм, использовать технологические процессы оборудования, рассчитанного на обработку пластин большего диаметра - 100 мм, 150 мм, 200 мм и т.д. Альтернативные решения, такие как покупка одной установки или замена всей производственной линейки на оборудование для пластин большего диаметра, являются нерентабельными для компаний, представляющих отечественную микроэлектронику. Стоимость нового завода для той же технологической нормы с большим диаметром пластин требует обновления всей технологической цепочки оборудования.
На фиг.1 представлен чертеж разработанного многофункционального подложодержателя для пластин, используемого при изготовлении монолитных интегральных схем, где:
1 - фаска по внешнему диаметру;
2 - паз по внутреннему диаметру.
На фиг. 2 представлен изготовленный экспериментальный макет многофункционального подложкодержателя для пластин, используемого при изготовлении монолитных интегральных схем, под пластины диаметром 76 мм и менее.
На фиг. 3 представлен изготовленный экспериментальный макет многофункционального подложкодержателя для пластин, используемого при изготовлении монолитных интегральных схем, под пластины диаметром 100 мм и менее.
На фиг. 4 представлен процесс термообработки.
На фиг. 5 представлен процесс загрузки микросборки кремниевой пластины диаметром 100 мм со стеклянной пластиной диметром 150 мм с использованием разработанного многофункционального подложкодержателя для пластин, используемого при изготовлении монолитных интегральных схем.
На фиг. 6 показаны изображения сквозных отверстий в кремниевой пластине, полученные на растровом электронном микроскопе: а - массив отверстий, б - одиночное отверстие.
Многофункциональный подложкодержатель для пластин, используемый при изготовлении монолитных интегральных схем, работает следующим образом. В начале технологического маршрута утоненную кремниевую пластину при помощи вакуумного пинцета перемещают на многофункциональный подложкодержатель. Форма подложкодержателя представляет собой пластину со стандартными габаритными размерами. Автоматизированный робот-загрузчик захватывает подложкодержатель с пластиной или фрагментом пластины для обработки и перемещает в рабочую камеру как стандартную пластину. Таким образом, вначале на полированной стороне утоненной кремниевой пластины вакуумным напылением формируется тонкий слой алюминия. После этого сверху на алюминий методом центрифугирования наносится слой фоторезиста. Затем пластина на многофункциональном подложкодержателе подвергается экспонированию через фотошаблон, имеющий топологию в виде сплошного не пропускающего сквозь себя свет материала с множеством пропускающих свет круглых областей. Благодаря подходящей форме подложкодержателя, аналогичной форме стандартной полупроводниковой пластины, установка для экспонирования беспрепятственно принимает его для обработки.
При необходимости пластина легко извлекается из подложкодержателя при помощи вакуумного пинцета. После этого проводится операция проявления фоторезиста: области, которые были засвечены, удаляются жидкостным химическим травлением. В результате в слое фоторезиста формируется рисунок из круглых отверстий, оголяющих под собой поверхность алюминия.
После активации открытых участков поверхности алюминия обработкой в кислородной плазме проводится операция жидкостного химического травления алюминия по маске из фоторезиста. В результате в слое алюминия формируется схожий рисунок из круглых отверстий, оголяющих под собой поверхность кремния.
Фоторезистивная маска удаляется жидкостной обработкой в диметилформамиде. Затем обрабатываемая пластина проходит Bosch - процесс в установке глубокого плазмохимического травления кремния. В конце удаляется слой алюминия при помощи жидкостного химического травления. Пластина легко извлекается из подложкодержателя при помощи вакуумного пинцета. В результате в исходной кремниевой пластине формируются сквозные отверстия, которые могут в дальнейшем служить для создания сквозных межсоединений через пластину при изготовлении интерпозера.
Конкретный пример исполнения. В начале технологического маршрута утоненную кремниевую пластину толщиной 125 мкм и диаметром 100 мм при помощи вакуумного пинцета перемещают на многофункциональный подложкодержатель диаметром 150 мм с пазом глубиной 100 мкм и диаметром 100 мм. Далее, на полированной стороне тонкой кремниевой пластины диаметром 100 мм и толщиной 125 мкм вакуумным напылением формируется слой алюминия толщиной 500 нм. Сверху на алюминий методом центрифугирования наносится слой фоторезиста толщиной 2 мкм. Пластина диаметром 100 мм с двумя сформированными слоями из алюминия и фоторезиста помещается в подложкодержатель диаметром 150 мм и вместе с ним подвергается экспонированию через фотошаблон, имеющий топологию в виде сплошного не пропускающего сквозь себя свет материала с массивом пропускающих свет круглых областей диаметром 43 мкм. Экспонирование проводится в оборудовании, предназначенном для работы только с пластинами диаметром 150 мм. Благодаря подходящей форме подложкодержателя, аналогичной форме стандартной полупроводниковой пластины, установка для экспонирования беспрепятственно принимает его для обработки.
При необходимости пластина диаметром 100 мм легко извлекается из подложкодержателя. После этого проводится операция проявления фоторезиста: области, которые были засвечены, удаляются жидкостным химическим травлением. В результате в слое фоторезиста формируется рисунок из круглых отверстий диаметром 43 мкм, оголяющих под собой поверхность алюминия.
После активации открытых участков поверхности алюминия обработкой в кислородной плазме проводится операция жидкостного химического травления алюминия по маске из фоторезиста. В результате в слое алюминия формируется схожий рисунок из круглых отверстий диаметром 43 мкм, оголяющих под собой поверхность кремния.
Фоторезистивная маска удаляется жидкостной обработкой в диметилформамиде. Затем обрабатываемая пластина диаметром 100 мм проходит Bosch - процесс в установке плазмохимического травления кремния, рассчитанной на обработку пластин диаметром 150 мм, после помещения ее в многофункциональный подложкодержатель. Поскольку установка рассчитана только на обработку пластин диаметром 150 мм, при попытке обработки пластины диаметром 100 мм без подложкодержателя возможны как потеря пластины внутри камеры, так и выход установки из строя. Разработанный подложкодержатель эффективно устраняет возможность этих нежелательных явлений. В конце выполняют жидкостное химическое травление алюминия при температуре 150°С в течение 10 минут. В результате, в исходной кремниевой пластине диаметром 100 мм формируются сквозные отверстия в виде цилиндрических полостей диаметром 43±10 мкм и высотой 125 мкм.
В результате использования предлагаемого устройства увеличивается надежность при сохранении механической целостности пластины в процессе операции ее обработки, расширяется перечень проводимых технологических операций, обеспечивается возможность транспортировки образца, обеспечивается возможность групповой обработки пластин или их фрагментов.
Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР №809669.
2. Патент РФ№157964.
3. Патент РФ №173825 - прототип.