Способ снижения температурных напряжений при обработке полупроводниковых пластин с развитой по высоте топографией и полупроводниковая пластина с предохранительной структурой для этого способа (варианты)
METHOD FOR REDUCING THERMAL STRESSES DURING PROCESSING OF SEMICONDUCTOR WAFERS WITH HEIGHT-DEVELOPED TOPOGRAPHY AND SEMICONDUCTOR WAFER WITH PROTECTIVE STRUCTURE FOR THIS METHOD (VARIANTS)

Настоящее изобретение относится к области микроэлектронной техники и касается способа снижения температурных напряжений при обработке полупроводниковых пластин с развитой по высоте топографией при изготовлении микроэлектромеханических систем (МЭМС) на кремниевых подложках, в частности, при производстве МЭМС акселерометров и гироскопов.
МЭМС-устройства обычно изготавливают на кремниевой подложке с помощью технологии микрообработки, аналогичной технологии изготовления однокристальных интегральных микросхем. Типичные размеры микромеханических элементов лежат в диапазоне от 1-100 мкм, тогда как размеры кристалла МЭМС имеют размеры от 1 до 20 мм.
Основные методы получения всех МЭМС-устройств на основе кремния: осаждение слоев материала, структурирование этих слоев с помощью фотолитографии и травления для создания требуемой формы.
Кремний является полупроводниковым материалом, используемым для создания большинства интегральных схем, используемых в потребительской электронике в современном мире. Распространённость, доступность дешёвых высококачественных материалов и способность к применению в электронных схемах делает кремний привлекательным для применения его при изготовлении МЭМС. Кремний также имеет значительные преимущества перед другими материалами благодаря своим физическим свойствам. Монокристалл кремния почти идеально подчиняется закону Гука. Это означает, что при деформации он не подвержен гистерезису и, следовательно, энергия деформации практически не рассеивается.
В патентной литературе довольно широко представлены полупроводниковые пластины с зонами под чипы, между которыми так же методом травления сформированы поддерживающие пластину элементы в виде выступов. Так, на площади полупроводниковой пластины в рисунке топографии можно увидеть не только выступы, относящиеся к чипам, но и выступы, расположенные между чипами и занимающие свободное пространство.
Так, в WO 2006090650 поддерживающая подложка используется для механической поддержки чипов на очень тонкой пластине во время механической полировки. В данном источнике не упоминается ни вспомогательные структуры, ни высокая топография.
В JP 2017152608 для предотвращения искривления полупроводниковой пластины, пластина содержит: множество первых областей, где расположены рабочие элементы, электрически соединенные со схемами; и вторую область, в которой размещены дополнительные электрически изолированные выступы, которые расположены среди первых областей и имеют одинаковую высоту с рабочими элементами. Это делает полупроводниковую пластину равномерно прижатой при шлифовании. После шлифования, дополнительные выступы удаляются растворителем, и полупроводниковая пластина разрезается на части.
В JP 2017152608 вспомогательные структуры из жертвенного материала используются для обеспечения равномерного распределения механического давления при шлифовании пластины с высокой топографией.
Из US 2002116686 известно использование дополнительных элементов, размещаемых с определенной плотностью, заполняющих пространство, не занятое рабочими элементами для повышения эффективности обработки поверхности пластины. В частности, когда область, занимаемая рабочими элементами на подложке интегральной схемы, мала, может потребоваться больше времени для травления. Это явление называется «эффект нагрузки». Когда используется большее время травления, фоторезист может быть «перетравлен» при нанесении рисунка, и ширина линии, подлежащего нанесению рисунка, может стать меньше, чем требуется. Это приводит к не эффективному расходованию производственных мощностей.
Из US2004004292 известен способ соединения микросхемы с подложкой непроводящим клеем, согласно которому на микросхемах и подложках сформированы дополнительные выпуклые элементы. Проблема заключается в несоответствии коэффициентов теплового расширения между печатной платой и кремниевым чипом. Коэффициент теплового расширения для материала печатной платы по меньшей мере в пять раз больше, чем для кремниевого материала. Одним из предлагаемых способов, для смягчения таких термических деформаций, является введение герметизирующего слоя между кремниевым чипом и органической подложкой. Однако материал, который обычно используется для заполнения зазора между печатной платой и кремниевым чипом, не обеспечивает достаточное заполнение.
В JP 2000040677, G06K19/077, H01L21/301. H01L21/306, опубл. 08.02.2000 г., поддерживающая подложка (пластина-носитель) прикреплена к полупроводниковой пластине ИС для защиты ИС от повреждения во время механической обработки. Основная идея заключается в том, что пластина ИС приклеивается к несущей подложке адгезивным слоем, а затем вытравливается для отделения чипов c тыльной стороны. После обработки отдельные чипы все еще приклеены к несущей подложке. Кроме того, вспомогательные структуры не используются для этого подхода. Основная идея патента: обеспечить механическую поддержку чипов без топографии и без вспомогательных структур, разделяемых во время обработки. Это решение принято в качестве прототипа.
Диаметр кремниевых пластин постоянно увеличивается, позволяя размещать на рабочем поле все большее количество кристаллов - чипов. Увеличение диаметра пластины с 100 до 150 мм даёт площадь в 2,25 раз большую. А значит можно разместить пропорционально больше приборов на заготовке. Увеличение диаметра с 150 на 200 мм даёт прирост площади в 1,7 раза. С 200 до 300 мм - прирост в 2,25 раза. Площадь на пластине 300 мм в девять раз больше, чем на пластине 100 мм. И это всё при том, что себестоимость производства одной пластины растёт гораздо медленнее, чем её диаметр. В связи с этим выпускать кремниевые пластины размером более 200 мм становится все выгоднее.
Однако, с увеличением диаметра тонких полупроводниковых пластин, выше 300 мм, такие пластины более подвержены деформациям изгиба, которые приводят к их поломках в процессе технологических обработок. При диаметре пластин менее 300 мм изгибность не так сильно проявляется и такие пластины можно было подвергать прямой нагрузке, например, при склеивании с пластиной-носителем. Увеличение диаметра полупроводниковых пластин при практически сохраненной неизменной их толщине привело к появлению такого явления как деформационный изгиб. Такие изгибы приводят к разлому пластины по линиям углублений между чипами. В перечисленных патентах эта проблема проявляющейся хрупкости полупроводниковых пластин решается за счет обеспечения механической поддержки чипов путем введения между ними поддерживающих элементов. Эти поддерживающие элементы необходимы, чтобы при механической обработке пластины, например, при шлифовании, обеспечить равномерное распределение нагрузки по всей поверхности пластины и не сломать ее давлением от шлифовального инструмента. Другой задачи эти поддерживающие элементы не несут.
При поиске по уровню техники не были выявлены патенты и другая общедоступная информация, в которой рассматривались бы вопросы теплоотвода подвергаемой плазменному излучению полупроводниковой пластины.
-4
-1
Для определенных операций по обработке полупроводниковых пластин (таких как плазменное травление, осаждение, литография и т.д.) необходимо закрепление обрабатываемой полупроводниковой (кремниевой) пластины 1 на пластину-носитель 2 (фиг. 1). Обрабатываемая пластина прикрепляется на пластину-носитель при помощи адгезивного слоя 3 (обычно органического) толщиной от 1 до 10 мкм. В качестве адгезивного слоя можно использовать, например, фоторезист SPR700-1.2, обладающий высокой термостойкостью и теплопроводностью. Сращивание пластины-носителя и обрабатываемой пластины проводится в установке сращивания пластин при температуре 120-180°C в течение 4-10 мин, сила прижима 300-450 Н и давление в камере 10 - 10 мбар. Снятие с носителя производится в растворителе N-метил-2-пирролидон. Использование более толстого адгезивного слоя нецелесообразно, так как ухудшается теплопроводность от верхней пластины к нижней, что отрицательно сказывается на контроле температуры верхней пластины. Фоторезист обладает высокой способностью тепловой передачи. При наличии на обратной стороне обрабатываемой пластины 1 выраженной топографии (выступающих частей 4) на высоту более 10 мкм, контакт между обрабатываемой пластиной 1 и пластиной-носителем 2 происходит только в точках 5 выступающей топографии, как показано на фиг. 1. Позицией 6 показаны зоны, в которых отсутствует контакты через слой 3 полупроводниковой пластины 1 с пластиной-носителем 2. На фиг. 2 показано расположение чипов 7 на полупроводниковой пластине 1 в пределах их границ 8. Выступающая часть чипа 9 представляет собой поверхность 10 контакта. То есть в местах, где топография отсутствует, контакт между обрабатываемой пластиной и пластиной-носителем отсутствует.
При обработке подобной сборки в технологических установках пластина-носитель 2 помещается на рабочий столик, на котором при выполнении технологических операций может быть сформирован определенный термический режим (от 0°С до 100°С). Однако, вследствие отсутствия термического контакта по всей поверхности пластины 1 (как показано на фиг. 2), нарушается теплоотвод от верхней расположенной обрабатываемой пластины 1 и теряется контроль температуры этой обрабатываемой пластины, что приводит к невоспроизводимым и плохо предсказуемым результатам обработки пластины.
При нагревании полупроводниковой (кремниевой) пластины, у которой не сформирован полный по площади контакт с теплоотводящей пластиной, возникают зоны (участки) с разным температурным нагревом. В зонах, не имеющих контакта с теплоотводящим элементом температура выше, чем в зонах с теплоотводом. Таким образом на разных участках формируются отличные друг от друга температурные балансы. В зонах с более высокой температурой нагрева проявляется подвижность молекулярных связей, то есть эта подвижность прямо зависит от температуры нагрева участка. Появление между ними разницы в нагреве приводит к деформационным проявлениям самой пластины, в частности к изменению кристаллической структуры. В результате после технологической обработки пластина, возвращаясь к исходному температурному балансу, имеет дефекту формы топографии. Пример технологического процесса: при плазмохимическом травлении над пластиной поддерживается плазма с реагентами, которая нагревает поверхность пластины. На установках травления предусмотрен теплоотвод от пластины через поверхность соприкосновения с рабочим столиком установки. Однако, при наличии пустот между полупроводниковой пластиной и её носителем, теплоотвод и температура неравномерны по площади. Из-за того, что скорость плазмохимического травления зависит от температуры подложки, возникает нежелательная неравномерность травления по поверхности пластины.
В связи с этим вопрос отвода тепла от полупроводниковой пластины приобретает высокую значимость в вопросе получения не дефектной продукции.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в снижении температурных напряжений в полупроводниковой (кремниевой) пластине с развитой по высоте топографией при ее технологической обработке.
Указанный технический результат в части устройства заключается в том, что полупроводниковая пластина с предохранительной структурой представляет собой кремниевый диск с базовым срезом, на по крайней мере одной стороне которого сформированы расположенные на расстоянии друг от друга участки, в которых способом плазмохимического травления образованы чипы, содержащие одинаковой высоты выступы с плоской торцевой площадкой каждый, при этом в зонах между указанными участками способом плазмохимического травления выполнены элементы предохранительной от перегрева диска структуры, представляющие собой выступы с плоской торцевой площадкой каждый, при этом поверхности плоских торцевых площадок предохранительной структуры расположены в общей плоскости, в которой расположены плоские торцевые площадки чипов.
Для этого устройства часть выступов чипа с плоской торцевой площадкой могут являться элементами предохранительной от перегрева диска структуры.
Указанный технический результат в части устройства так же заключается в том, что полупроводниковая пластина с предохранительной структурой представляет собой кремниевый диск с базовым срезом, на по крайней мере одной стороне которого сформированы расположенные на расстоянии друг от друга участки, в которых способом плазмохимического травления образованы чипы, часть из которых содержит одинаковой высоты выступы с плоской торцевой площадкой каждый, а другая часть содержит выступы с плоской торцевой площадкой каждый, высота которых меньше высоты выступов из первой части, при этом в зонах между выступами первой части чипов способом плазмохимического травления выполнены элементы предохранительной от перегрева диска структуры, представляющие собой выступы с плоской торцевой площадкой каждый, поверхности которых расположены в общей плоскости, в которой расположены плоские торцевые площадки чипов первой части, а элементы предохранительной от перегрева диска структуры для чипов другой части выполнена в виде являющихся продолжением по высоте этих чипов выступов с плоской торцевой площадкой каждый, поверхности которых расположены в общей плоскости, в которой расположены плоские торцевые площадки чипов первой части.
2
Указанный технический результат в части способа заключается в том, что в способе снижения температурных напряжений при обработке полупроводниковых пластин с развитой по высоте топографией, заключающемся в размещении полупроводниковой пластины стороной, на которой выполнена развитая по высоте топография в виде выступающих частей, разделенных углублениями, на пластине-носителе и ее прикреплении к этой пластине-носителю посредством адгезивного слоя толщиной от 1 до 10 мкм, для увеличения площади контакта полупроводниковой пластины с пластиной-носителем в зонах углублений формируют дополнительные элементы из материала, соответствующего материалу полупроводниковой пластины, которые представляют собой выступающие части с плоскими торцевыми площадками, расположенными в общей плоскости, проходящей через торцевые площадки выступающих частей топографии, при этом обеспечивают общую площадь поверхностей плоских торцевых площадок выступающих частей дополнительных элементов не менее 1 мм.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не являются единственным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - представлено схематическое отображение закрепления обрабатываемой полупроводниковой пластины с развитой топографией на пластину-носитель;
фиг. 2 - показано расположение чипов на полупроводниковой пластине;
фиг. 3 - показано схематическое отображение закрепления обрабатываемой полупроводниковой пластины с развитой топографией и предохранительной структурой на пластину-носитель;
фиг. 4 - показана схема процесса плазмохимического травления полупроводниковой пластины для получения чипов и предохранительных элементов;
фиг. 5 - пример расположения чипов на полупроводниковой пластине при наличии предохранительных структур, расположенных в промежутках между чипами;
фиг. 6 - вид в плане на чип для изготовления маятникового чувствительного элемента MEMS акселерометра;
фиг. 7 - сечение А-А по фиг. 6;
фиг. 8 - пример исполнения предохранительной структуры для разновысотных участков;
фиг. 9 - показано схематическое отображение закрепления обрабатываемой полупроводниковой пластины с развитой топографией разновысоких чипов и предохранительной структурой на пластину-носитель.
Согласно настоящего изобретения рассматривается новый способ снижения температурных напряжений при обработке полупроводниковых пластин с развитой по высоте топографией, в основу которого положен принцип увеличения площади контакта обрабатываемой полупроводниковой пластины с пластиной-носителем, используемой в качестве не только держателя кремниевой пластины, но и в качестве теплоотвода, позволяющего максимально исключить зоны, не заполненные адгезивным слоем.
Данный способ применяется для полупроводниковых пластин 1, на одной стороне которых выполнена развитая по высоте топография в виде выступающих частей 4, разделенных углублениями. Практика показывает, что глубина травления пластины может доходить до 0,5 мм при ширине углублений между выступающими частями, превышающей высоту выступающих частей 4. При технологической обработке полупроводниковую пластину 1 размещают стороной, на которой имеется топография, на пластину-носитель 2 и прикрепляют ее к этой пластине-носителю посредством адгезивного слоя 3 (например, в виде позитивного фоторезиста) толщиной от 1 до 10 мкм. Прикрепление происходит под давлением, при котором полупроводниковая пластина выступающими частями (точнее, их торцевыми площадками) входит в контакт с поверхностью пластины-носителя 2. Под давлением происходит растекание адгезивного слоя по поверхности пластины-носителя и заполнение углублений на полупроводниковой пластине. Излишки слоя 3 выдавливаются через торцевые зазоры. Однако, при процессе сдавливания пластин 1 и 2 и растекания адгезивного слоя могут образовываться воздушные пустоту в местах углублений, где ширина углублений достаточна большая, как это показано на фиг. 1. Это объясняется тем, что полупроводниковую пластину укладывают на пластину-носитель горизонтально без угловых перекосов (чтобы не разрушить тонкий диск пластины 1). При укладке плашмя слой 3, находясь под давлением, перемещается по поверхности пластины носителя в зоны меньшего давления и не заполняет те зоны (углубления), в которых остался воздух или вакуум (если скрепление пластин происходило на вакууме).
Для исключения появления таких воздушных/пустых зон в местах контакта полупроводниковой пластины с пластиной-носителем необходимо исключить наличие широких и развитых по площади участков, не задействованных в топографии и сформировать там дополнительные выступы 11 (так называемые предохранительные элементы), располагаемые между границами выступов, являющихся элементами развитой по высоте топографии. Это позволит максимально увеличить площадь контакта полупроводниковой пластины с пластиной-носителем 2 и исключить формирование участков с разным температурным балансом.
Таким образом, рассматриваемый способ обеспечивает увеличения площади контакта полупроводниковой пластины 1 с пластиной-носителем 2. Это достигается тем, что в зонах углублений формируют дополнительные элементы из материала полупроводниковой пластины, которые представляют собой выступающие части с плоскими торцевыми площадками, расположенными в общей плоскости, проходящей через торцевые площадки выступающих частей топографии.
2
При этом обеспечивают общую площадь поверхностей плоских торцевых площадок выступающих частей дополнительных элементов не менее 1 мм.
На участках обрабатываемой пластины 1, где отсутствует топография (выступающие части) добавляются специальные предохранительные структуры, которые заполняют пространство между рабочими структурами и увеличивают площадь контакта между обрабатываемой пластиной и пластиной-носителем, как показано на фиг. 3.
Предохранительные структуры формируются одновременно с рабочими структурами в процессе травления полупроводниковой пластины из кремния (фиг. 4). Получение рабочих выступов топографии и дополнительных предохранительных выступов 11 обеспечивают плазмохимическим способом. При таком способе обработки плазма 12 формирует углубления на участках, не закрытых маскирующим слоем 13.
В итоге получаем полупроводниковая пластина 1 с предохранительной структурой (фиг. 5), которая представляет собой кремниевый диск с базовым срезом, на по крайней мере одной стороне которого сформированы расположенные на расстоянии друг от друга участки, в которых способом плазмохимического травления образованы чипы (выступающие части 4), представляющие собой одинаковой высоты выступы с плоской торцевой площадкой каждый, при этом в зонах между указанными участками способом плазмохимического травления выполнены элементы предохранительной от перегрева диска структуры, представляющие собой выступы с плоской торцевой площадкой каждый, при этом поверхности плоских торцевых площадок предохранительной структуры расположены в общей плоскости, в которой расположены плоские торцевые площадки чипов.
2
Площадь поверхности предохранительной структуры должна быть не менее 1 мм, максимальный размер не ограничен, форма структур может быть любая. Предохранительные структуры могут добавляться как в промежутки между чипами, так и на сами чипы, если это позволяет конструкция чипа. Предохранительные структуры должны занимать все возможное пространство, не занятое рабочими структурами.
Рассмотренное относится к чипам, представляющим собой одинаковой высоты выступы с плоской торцевой площадкой каждый. Т.е. подразумевается, что каждый чип - это один выступ с плоской торцевой поверхностью.
Однако, на одной кремниевой пластине топология размещения чипов может предусматривать чипы более сложной структуры, например, поверхность чипа может иметь элементы на разной высоте (выступы и углубления) или чипы могут быть разной высоты. Форма чипа может быть и прямоугольной. Например, конструкция кремниевой основы для маятникового MEMS акселерометра включает в себя чувствительный элемент (маятник). который закрепляется на площадке 14 в рамке 15 с помощью двух перемычек 16 (мостиков). Площадка получается подвешенной в рамке и держится на рамке только перемычками 16 (фиг. 6 и 7). При травлении полностью выбирается материал между площадкой и рамкой за исключением участков перемычек. Таким образом чип представляет собой два участка (площадка 14 и рамка 15), которые соединены между собой двумя перемычками. Высота рамки меньше высоты площадки. Таким образом, при обработке кремниевой пластины с разновысокими чипами возникает проблема с теплоотводом через адгезивный слой 3. Для решения этой задачи авторами предусматривается, как вариант, возможность применения предохранительных структур для чипов малой высоты по отношению к чипам с большей высотой в виде формируемых на них кремниевых элементов, дополняющих высоту этих чипов до высоты остальных чипов.
Также, в качестве варианта, возможно для чипов с участками малой высоты применение предохранительных структур в виде формируемых на них кремниевых элементов, дополняющих высоту этих участков до высоты остальных участков чипов. Эти предохранительные структуры могут представлять собой выступы 17 меньшего поперечного сечения, чем сечение участка чипа, высота которого меньше высоты остальных участков чипов, как это показано на фиг. 8. Такие выступы выравнивают высоту участков чипов на кремниевой пластине, что позволяет применять рассмотренный в заявке способ снижения температурных напряжений при обработке полупроводниковых пластин с развитой по высоте топографией (фиг. 9).
Предохранительные структуры формируются одновременно с рабочими структурами чипа в процессе травления кремния.
Кремниевая пластина после разрезки из слитка выходит в виде плоского с двух сторон диска. Можно наложить одну маску и протравить пластину и получить одни чипы одинаковой высоты. Потом снять первую маску и наложить вторую маску и снова протравить и получить чипы меньшей высоту, чем первые. При наложении второй маски и травлении одновременно с формированием поверхности чипов меньшей высоты формируются и предохранительные элементы на нем, как части чипа из того же материала. Просто при травлении убирается не весь материал по площади чипа, остаются дополняющие высоту выступы, являющиеся предохранительными структурами.
После обработки на пластине-носителе выступы 17 предохранительной структуры остаются на чипе или вытравливаются до заданной высоты.
Решение о размещении предохранительных структур в пределах чипа (т.е. на самом чипе) принимается, когда на приклеиваемой стороне обрабатываемой пластины области предохранительных структур между чипами и рабочие области чипа с наибольшей высотой имеют совокупную площадь слишком малую для достаточной теплопередачи между пластинами и эффективного выдавливания адгезивного слоя в стороны, что также помогает увеличить площадь теплопередачи через адгезивный слой.
Таким образом, общая площадь контакта между обрабатываемой пластиной и пластиной носителем увеличивается, как показано на фиг. 3, что позволяет лучше контролировать температуру верхней пластины и получать более воспроизводимые результаты, что, в свою очередь повышает выход годных изделий.
Настоящее изобретение промышленно применимо и позволяет снизить температурные напряжения в полупроводниковой (кремниевой) пластине с развитой по высоте топографией при ее технологической обработке за счет увеличения площади контакта обрабатываемой пластины с пластиной теплоотвода.