Диссертация (Технология разделения на кристаллы сверхвысокочастотных монолитных интегральных схем на гетероструктурах AlGaNGaN)

Федеральное государственное бюджетное учреждение наукиИнститут сверхвысокочастотной полупроводниковой электроникиРоссийской академии наукНа правах рукописиТрофимов Александр АлександровичТЕХНОЛОГИЯ РАЗДЕЛЕНИЯ НА КРИСТАЛЛЫСВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХСХЕМ НА ГЕТЕРОСТРУКТУРАХ AlGaN/GaN05.27.06 – Технология и оборудование для производства полупроводников,материалов и приборов электронной техникиДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:Директор ИСВЧПЭ РАН, д.т.н., профессорС.А.

ГамкрелидзеНаучный консультант:с.н.с. ИСВЧПЭ РАН, к.т.н.Н.В. ЩаврукМосква 20172ОглавлениеВведение4Глава 1. Анализ современного состояния технологии разделенияприборных пластин на кристаллы191.1. Операция резки приборных пластин на кристаллы и ее роль вмикроэлектронике201.2. Основные технологические операции, предшествующие резкеприборных пластин на кристаллы221.2.1. Приклеивание приборной пластины на диск-носитель и еепоследующее отклеивание231.2.2. Шлифование и полирование приборной пластины281.3. Современные методы резки приборных пластин на кристаллы331.3.1. Механические методы резки приборных пластин341.3.1.1.

Алмазное скрайбирование341.3.1.2. Резка дисками с алмазной режущей кромкой361.3.2. Лазерные методы резки приборных пластин381.3.2.1. Лазерное скрайбирование381.3.2.2. Лазерная абляция441.3.2.3. Stealth Dicing451.3.2.4. Технология Laser MicroJet471.3.2.5. Лазерное управляемое термораскалывание491.4. Монолитные интегральные схемы, изготовленныеприборных пластинах сапфира и карбида кремниянаВыводы и постановка задачи65Глава 2. Определение границ конечной толщины приборных пластинсапфира и карбида кремния с изготовленными на них СВЧ МИС нагетероструктурах AlGaN/GaN2.1. Распределение температуры кристалла СВЧзависимости от типа материала и толщины подложки55МИСв2.2.

Определение величины прогиба приборной пластины взависимости от типа материала и толщины подложки70717632.3. Определение допустимых границ конечной толщины дляприборных пластин сапфира и карбида кремния с изготовленнымина них СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN83Выводы86Глава 3.

Разработка решения для надежной защиты СВЧ МИС нагетероструктурах AlGaN/GaN при операциях шлифования, полированияи резки на кристаллыВыводыГлава 4. Определение режимов одностороннего шлифования иполирования свободным абразивом обратной стороны приборныхпластин сапфира и карбида кремния с изготовленными СВЧ МИС нагетероструктурах AlGaN/GaNВыводы889798111Глава 5. Резка приборных пластин сапфира и карбида кремния сизготовленными на них СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN на112отдельные кристаллы и анализ влияния комплекса разработанныхрешений на электрофизические параметры изделий5.1.

Резка приборных пластин сапфира на кристаллы СВЧ МИС112методом лазерного управляемого термораскалывания5.2. Анализ влияния разделения на кристаллы СВЧ МИС нагетероструктурах AlGaN/GaN, изготовленных на приборныхпластинах сапфира, с применением метода лазерного управляемого 122термораскалываниянавыходгодныхкристалловиэлектрофизические параметры СВЧ МИС5.3. Резка приборных пластин карбида кремния на кристаллы129СВЧ МИС методом дисковой резки5.4.

Анализ влияния разделения на кристаллы СВЧ МИС нагетероструктурах AlGaN/GaN, изготовленных на приборныхпластинах карбида кремния, с применением метода дисковой резки 136на выход годных кристаллов и электрофизические параметрыСВЧ МИСВыводы143Заключение146Список литературы1494ВВЕДЕНИЕИнтенсивное развитие микроэлектроники, постепенно охватывающеевсе новые области деятельности человечества, приводит к тому, что то, чтоеще недавно было на стадии изучения, разработки и совершенствования,сегодня используется повсеместно не только в военно-промышленномкомплексе, но и в народном хозяйстве.Сверхвысокочастотная (СВЧ) электроника сегодня является одним изосновных векторов развития всей индустрии микроэлектроники. Основныевозможности развития СВЧ электроники прежде всего заключаются втелекоммуникациях,производствеконтрольно-измерительногоианалитического оборудования, транспортной промышленности, медицинскойтехники, машиностроении и т.д.СВЧ технологии в настоящее время переживают ту стадию развития,на которой отсутствие собственной аналогичной отрасли для любогогосударства фактически означает отсутствие национальной технологическойбезопасности и полную зависимость от стран-производителей продукцииСВЧ электроники [1].Еще в 2004 году Ж.И.

Алферов отмечал, «что там, где требуютсярабочие частоты выше 4-5 ГГц, СВЧ наногетероструктурная технологиябыстровытесняеткремниевуюиклассическуюарсенидгаллиевуютехнологии» [2].Исторически сложилось так, что в нашей стране определяющеенаправление задает военно-промышленный комплекс. Фактически всеработы в области СВЧ электроники в России сегодня так или иначе связаны сразличными специальными применениями. Это привело к развитию новыхтехнологий корпусирования, гибридизации, а сегодня уже идет речь отрехмерных гетерогенных интегральных схемах на одном кристалле.

Доуровняпромышленногоразвитиядоведенытехнологииполупроводниковых материалов как GaN, SiC, GaAs, InP.таких5Вместе с тем более 95% всей СВЧ электроники это именногражданскиенаправления,которыеотечественнаяпромышленностьигнорирует и не развивает.По данным, опубликованным в журнале "Semiconductor Today", рынокмощных полупроводниковых СВЧ приборов на основе GaN и SiC вырастет с210 миллионов долларов в 2015 году до более чем 1 миллиарда долларов заближайшие 5 лет и затем до 3,7 миллиарда долларов к 2025 году [3].Учитывая достаточно серьезное развитие СВЧ направления в России,это дает определенный шанс российским компаниям участвовать вформировании рынка, а не искать узкие ниши на уже сложившемся.Руководство нашей страны отлично осведомлено о сложившейсяситуации и предпринимает все меры для интенсификации СВЧ направленияв частности и развития электроники и науки в России в целом.Распоряжением Правительства РФ от 17.11.2008 г.

№ 1662-р (ред. от08.08.2009 г.) «О Концепции долгосрочного социально-экономическогоразвития Российской Федерации на период до 2020 года» установленыосновные целевые ориентиры, одним из которых является экономика,конкурентоспособная на мировом уровне. Это основополагающий документ,который определяет стратегию развития Российской Федерации, в том числеи научно-технологического комплекса и инноваций в сфере наукоемкихтехнологий.

Согласно Концепции, вследствие невозможности обеспечения внастоящее время существенного вклада в рост валового внутреннегопродукта проектов в области высокотехнологических отраслей в силунеразвитости этих областей, авторы признают ускоренное распространениеновыхтехнологийвэкономикеиразвитиевысокотехнологичныхпроизводств одним из этапов инновационного развития России. Вближайшие несколько лет авторами концепции ожидается повышениеглобальной конкурентоспособности отечественной экономики в результатеее перехода на новую технологическую базу, что характеризуетсярасширениемпозицийроссийскихкомпанийнамировых6высокотехнологичных рынках.

Расходы на НИОКР, согласно Концепции,возрастут и составят 3% от валового внутреннего продукта, что после2020 года должно обеспечить расширение передовых позиций российскойнауки по приоритетным направлениям научных исследований.РаспоряжениемПравительстваРФот08.12.2011г.№2227-рутверждена Стратегия инновационного развития Российской Федерации напериод до 2020 года, в которой обозначено восстановление лидирующейпозиции отечественной фундаментальной науки на мировой арене.Распоряжением Правительства РФ от 20.12.2012 г.

№ 2433-рутверждена государственная программа «Развитие науки и технологий» на2013-2020годы,конкурентоспособныйкотораяставитиэффективносвоейцельюсформироватьфункционирующийсекторисследований и разработок и обеспечить его ведущую роль в процессахтехнологическоймодернизациироссийскойэкономики.Однимиизожидаемых результатов данной программы является обеспечение созданиянаучно-технологического задела, востребованного секторами экономики, атакжеувеличениепрактическогоприменениярезультатовнаучныхисследований, проводимых в рамках Государственной программы.Распоряжением Правительства РФ от 02.05.2013 г. №736-р утверждена«Концепция федеральной целевой программы "Исследования и разработкипоприоритетнымнаправлениямразвитиянаучно-технологическогокомплекса России» на 2014-2020 годы. Данная Концепция среди проблем,требующих решения на федеральном уровне, выделяет, в том числе, наличиеразрыва между потребностями в новых технологиях и тем предложением,который обеспечивается деятельностью российского сектора исследований иразработок.модернизацииОтмечается,ичтоускоренногонеобходимоеусловиетехнологическогообеспеченияразвитияотраслейроссийской экономики заключается в формировании перспективного научнотехнологического задела.

Вместе с тем негативно характеризуется такназываемая «консервация» исследований и разработок, а также сохранение7на низком уровне эффективности дальнейшего использования научнотехнологическогозадела,полученноговприкладныхнаучно-исследовательских и опытно-конструкторских (опытно-технологических)работах, в отраслях экономики и производства.Сегодня по разработанному технологическому процессу впервые вРоссии на нитридных наногетероструктурах AlGaN/GaN на подложкахсапфира были изготовлены монолитные интегральные схемы (МИС)усилителей с интегрированными антеннами для использования в приемопередающих модулях для диапазона частот 58–65 ГГц [4].

Отмечаютсяпреимущества СВЧ диапазона изделий на наногетероструктурах AlGaN/GaN: позволяет работать в широкой полосе частот и обеспечиватьскорость передачи данных до 5 ГГбит/с и выше; имеет высокую степень поглощаемости в атмосфере, что позволяетсоздавать изолированные каналы связи; имеет малую длину волны, что дает возможность интегрироватьантенны и целые антенные решетки на один кристалл.Вместе с тем обращает на себя внимание, что измерения готовыхобразцов проводились непосредственно на пластине, что затруднялополучение точных показателей, так как металлизация соседних образцовМИС искажала диаграмму направленности антенны.Учитывая, что сегодня в СВЧ технологиях на GaN используются вкачестве основы сапфировые подложки по причине их распространенности инедорогой стоимости, можно предположить, что в дальнейшем данноенаправление будет интенсивно развиваться.

Наличие в России предприятия"Монокристалл",котороепроизводителейсинтетическогопримененийэлектроннойвявляетсяоднимсапфираииздлякрупнейшихмировыхвысокотехнологичныхоптоэлектроннойпромышленности,выпускающим продукцию, соответствующую мировому уровню, являетсясущественным преимуществом для уверенного выхода отечественных8компаний на мировые рынки мощных СВЧ приборов и МИС на основенитридных наногетероструктур.МощныйнаучныйитехнологическийзаделвобластиСВЧнаногетероструктурной электроники, отмеченный Ж.И. Алферовым более10 лет назад, в настоящее время, благодаря стараниям современных научныхколлективов, развился настолько, что отечественные научные институтыспособнывоспроизвестиподавляющеебольшинствотехнологическихопераций по созданию СВЧ МИС на нитридных гетероструктурах.Однако, учитывая, что трехмерные СВЧ МИС с «воздушнымимостами»(далее3DСВЧМИС)нанитридныхгетероструктурахизготовленные на подложках сапфира и карбида кремния в России появилисьсравнительно недавно, как выяснилось, научные коллективы проводятполный цикл изготовления таких устройств, за исключением операцииразделения готовых приборных пластин на отдельные кристаллы.В результате проведенного анализа было выявлено, что данноеобстоятельство связано с малым распространением технологии обработкипластин сапфира и карбида кремния в совокупности с изготовленными наних трехмерными СВЧ МИС на гетероструктурах AlGaN/GaN на них ввидуотносительной новизны задачи.Известные на сегодняшний день методы разделения сапфира и карбидакремния, представленные в основном методами на основе применениялазеров или дисков с алмазной режущей кромкой, применяются к чистымподложкам, либо для разделения светоизлучающих диодов.Проблемы технологии обработки и разделения приборных пластинсапфира и карбида кремния на отдельные кристаллы нашли свое отражение вработах отечественных и зарубежных исследователей Федорова Ю.В.,Мальцева П.П., Кондратенко В.С., Матвеенко О.С., Гнатюка Д.Л.,Павлова А.