Автореферат (Технология разделения на кристаллы сверхвысокочастотных монолитных интегральных схем на гетероструктурах AlGaNGaN), страница 3

Допустимый диапазон конечной9толщины подложки приборных пластин сапфира и карбида кремнияопределялся исходя из совместного сравнения и анализа данныхкомпьютерного моделирования и математических расчетов для тепловыделенияприборов и деформации пластины вследствие внутренних напряжений.Для исследования распределения тепловыделения СВЧ МИСприменялось компьютерное моделирование, основанное на уравнениитеплопроводности:(1)где qv – мощность [Вт/м ] внутреннего источника тепла, −коэффициенттеплопроводности, – плотность вещества, сp – теплоёмкость вещества припостоянном давлении, T – температура в процессе работы.Данное дифференциальное уравнение (1) решается методом конечныхэлементов при граничных условиях третьего рода:3(2)температура окружающегогде α – коэффициент теплоотдачи, Тс –пространства, n – модуль вектора нормали.Свойства материалов, взятые из литературы и послужившие в качествеисходных данных для компьютерного моделирования, представлены в таб.

1. Врасчетах были приняты следующие условия: теплоотвод идеальный(принудительно задана температура для дна подложки 27 оС); температураокружающей среды 27оС; начальная температура объекта 27оС.Таблица 1. Свойства материалов СВЧ МИС.МатериалGaNAlGaNAl2O3SiCФункция вмоделигетероструктураподложкаподложкаПлотность,кг/м36070518439653216Теплопроводность,Вт/м*K1304035490Теплоемкость,Дж*кг/ K490604730690В тепловой модели транзистора источником тепла является подзатворнаячасть канала. Контакт между слоями считаем идеальным.

ТрехмернаяСВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN задана как объект, генерирующийтепло величиной 1 Вт, исходя из измерительных данных экспериментальныхобразцов.Путем компьютерного моделирования были получено распределениетемпературы кристалла в виде изоповерхностей для различных толщин иматериалов подложек (рис. 2 и 3). Цветовая шкала справа дает представление охарактере распределения теплоты.Для наглядности распределение температуры в зависимости от толщиныподложки СВЧ МИС для двух типов материалов подложки сведено вграфик (рис. 4).10(а)(б)Рис. 2. Трехмерное представление распределения температуры кристалла в видеизоповерхностей для подложки сапфира толщиной 500 мкм (а) и 50 мкм (б) притепловыделении СВЧ МИС 1 Вт.(а)(б)Рис.

3. Трехмерное представление распределения температуры кристалла в видеизоповерхностей для подложки карбида кремния толщиной 500 мкм (а) и 50 мкм(б) при тепловыделении СВЧ МИС 1 Вт.Рис. 4. Распределение температуры кристалла СВЧ МИС от толщины подложкидля сапфира и карбида кремния при тепловыделении 1 Вт.11Роль упругих напряжений в выращенном на подложке слое GaN,неизбежно возникающих из-за рассогласования кристаллических решеток GaNи подложки, при уменьшении толщины подложки возрастает. Данный аспектвыражается в увеличении радиуса кривизны приборной пластины, которыйможно наблюдать после склеивания пластины с диска-носителя.

Зависимостьрадиуса кривизны подложки R толщиной hs, на которую нанесена упругонапряжённая пленка толщиной hf, описывается формулой Стоуни: Es 1  s f hf   hs 2, 6R(3)где Еs – модуль упругости (или иначе модуль Юнга) материала подложки, ν –коэффициент Пуассона материала подложки, σf – упругое напряжение плёнки.Индекс «s» обозначает подложку («substrate»), а индекс «f» – плёнку («film»).Формула Стоуни справедлива, если подложка гораздо толще нанесённой на неёплёнки (hf << hs). Для величины прогиба подложки Δz (разница междумаксимальной и минимальной высотой пластины) используем следующеевыражение:z d28 R(4)где d – диаметр подложки. Используя значения из литературы (таб. 2), получимграфик зависимости прогиба подложки Δz от её толщины hs (рис. 5).Таблица 2.

Значения, используемые для моделирования прогиба подложкиКарбид кремнияСапфирσfE Al2O3 ν Al2O3σfВеличина E 6H-SiC ν 6H-SiCЗначение 503 ГПа 0,18 310 МПа 466 ГПа 0,28 760 МПаТолщинавыращенного слояGaNhf3 мкмДиаметрподложкиd5 смРис. 5. Зависимость прогиба приборной пластины от толщины подложки.12Рассчитанные зависимости величины прогиба приборной пластины отостаточной толщины подложки согласуются с экспериментальными данными.На рис. 6 представлена измеренная при помощи профилометра величинапрогиба двухдюймовой приборной пластины карбида кремния на длине 44 ммпри толщине подложки 135 мкм. Прогиб составил 120 мкм.Рис. 6.

Прогиб приборной пластины карбида кремния.Толщина пластины 135 мкм. Прогиб составляет 120 мкм на длине 44 мм.Представленное на рис. 7 совместное сравнение и анализ графиковраспределения температуры кристалла СВЧ МИС от толщины подложки длясапфира и карбида кремния при тепловыделении МИС 1 Вт, а такжеРис.7.Границыконечнойтолщины приборных пластинсапфира и карбида кремния сизготовленными на них СВЧ МИСзависимостивеличиныпрогибаприборных пластин сапфира и карбидакремнияоттолщиныподложкипоказывает расчетный диапазон толщин(110-150 мкм), в котором следуетнаходитьсятолщинеприборнойпластины для удовлетворения условиямтемпературногораспределениядлякорректной работы СВЧ МИС иусловиямбезопаснойработыспластиной для максимального сниженияриска ее потери (рис. 7, выделенозеленым).

Рабочая температура СВЧМИС установлена экспериментально исоставляет 85С. Для предупрежденияотказаприбороввследствиенеконтролируемогоповышениятемпературы,длясравнительногоанализа при определении допустимогодиапазонатолщиныподложкииспользовалось сниженное на 10%значение температуры.13По различным оценкам передовые зарубежные компании работают спластинами толщиной 100-120 мкм.

Кроме того, экспериментальноустановлено, что толщина пластины 100 мкм и менее затрудняет работуоператора с ней и увеличивает риск механического повреждения впоследующих процессах отклеивания, измерения и резки на кристаллыСВЧ МИС.Тем не менее, помимо повышения эффективности теплоотведения,снижение толщины приборной пластины позволяет сократить время операциирезки пластины на кристаллы, а также понизить износ режущего инструмента,что в случае разделения таких твердых материалов, как сапфир и карбидкремния, отражается на экономичности операции, а, следовательно, и наконечной стоимости готового СВЧ прибора.В третьей главе «Разработка решения для надежной защитыСВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN при операциях шлифования,полирования и резки на кристаллы» предложен метод защиты СВЧ МИСпри операциях шлифования, полирования и резки приборных пластин сапфираи карбида кремния на кристаллы, который обеспечивает защиту СВЧ МИС,изготовленных на пластине, с учетом их особенностей, обладает гибкостьюприменения, а также соответствует современным ключевым требованиям дляприклеивания приборных пластин на диск-носитель для последующихопераций шлифования и полирования.Характерные конструктивные свойства современных СВЧ МИС нанитридных гетероструктурах определяют высоту изделий на пластине(до 15-20 мкм), а, следовательно, и комплекс мер по защите в течение операцийподготовки приборной пластины к резке на отдельные кристаллы СВЧ МИС инепосредственно самой резки.Определение защиты и порядка приклеивания приборных пластинсапфира и карбида кремния с изготовленными на них СВЧ МИС на дискноситель заключалось в экспериментальном применении защитногополимерного покрытия для защиты "воздушных мостов" и планаризацииповерхности приборной пластины.

Защитный полимер WaferBOND CR-200компании BrewerScienceInc (США) представляет собой прозрачнуюбесцветную жидкость, применяется для временного приклеивания пластин надиск-носитель с использованием стандартного оборудования, а такжеобеспечивает защиту и планаризацию поверхности пластины при нанесениицентрифугированием, создавая однородное защитное покрытие высотой до27 мкм.

При этом данный полимер обладает температурной стабильностью до220С, устойчив к кислотам и основным растворителям, отвердевает притемпературе 120-180С (в зависимости от времени экспонирования), а такжеимеет собственный растворитель, который очищает поверхность пластины неоставляя следов загрязнений при температуре 110С в течение 15-30 минут.14Нанесение защитного покрытия нанеобходимую толщину в зависимости отвысоты рельефа МИС на приборнойпластинеосуществляется согласнографика(рис.8),отверждениеосуществляется на нагретой плите притемпературе 130-140С в течение 3 минут.ПослеотвердеванияполимераWaferBOND CR-200 на поверхностипластины и создания надежной защитыМИС, поверх него наносится основнойРис.

8. Зависимость толщиныклеящий адгезив Glycol Phtalate 0CON-324нанесенного клея WaferBONDкомпанииLogitechLtd,котороеCR-200 от скорости вращенияобеспечивает непосредственный контакт сцентрифуги.диском-носителем.Этот клеящий адгезив, обладая температурно-зависимой вязкостью,становится пластичным при температуре 71С, тем самым создавая условия дляприклеивания приборной пластины с нанесенным клеем-планаризаторомWaferBOND CR-200, температура плавления которого 110С.

Кроме того,Glycol Phtalate 0CON-324 после отверждения становится химическистабильным, однако отлично растворим в ацетоне, что позволило не толькосклеивать приборную пластину после операций шлифования и полированияпри комнатной температуре, тем самым обеспечивая простоту операциисклеивания, но также и решило проблему его нанесения.Экспериментальным путем подобрано соотношение раствора клеящеговещества и ацетона (1:4), при котором данный адгезив стало возможнымнанести на пластину при помощи метода центрифугирования при скорости1000 об/мин в течение 30 секунд. Отверждение Glycol Phtalate 0CON-324осуществляется на нагретой плите при температуре 60С в течение 2 минут.При этом происходит испарение ацетона, и на пластине остается однородныйклеящий слой адгезива Glycol Phtalate 0CON-324 толщиной до 10 мкм.