Геометрические параметры

2.2.     Геометрические  параметры

            В эту группу параметров  входят размеры пластин (диаметр, толщина) и допуски на них, а также отклонения  формы пластин – прогиб, коробление, неплоскостность и ряд других. 

            Диаметр кремниевых пластин постоянно увеличивается (рис. 2.4, а), позволяя размещать на рабочем поле все большее количество кристаллов.

Приближенно количество кристаллов N_D, которые помещаются на пластине заданного диаметра (рис 2.4, б), можно определить по формуле:

Рекомендуемые материалы

Первая составляющая формулы – это отношение площади пластины (Wafer) с диаметром  D_W  к площади кристалла S_D (Die).

Вторая составляющая оценивает количество кристаллов, не поместившихся полностью на круглой пластине.  На рис. 2.5 справа выделен кристалл,  у которого лишь малая часть отрезана окружностью пластины, а слева – кристалл, практически весь не поместившийся в контуре окружности. В среднем можно допустить, что  кристаллы обрезаются окружностью пластины по их диагоналям, которые для квадратных кристаллов равны  .

Деление длины окружности на диагональ кристалла дает примерное значение обрезанных кристаллов.

По приведенной формуле легко рассчитать, что, например, увеличение диаметра пластин с 200 до 300 мм увеличивает количество кристаллов практически в 2,5 раза.

Кроме того, при постоянном увеличении размеров самих кристаллов их размещение на пластинах больших диаметров повышает эффективность производства.

Следует при этом учитывать, что перевод производства на новый размер пластин влечет за собой радикальную модернизацию оснастки, а чаще всего – переход на новые комплексы оборудования.

Это требует огромных капитальных вложений. Так, для перевода производства пластин с 200 мм на 300 мм  в период с 1996 по 2003 год было затрачено около 12 миллиардов долларов, переход на 450 мм пластины потребует вложений более 20 миллиардов долларов.         При этом микроэлектронное производство на основе 300 мм пластин может быть  рентабельно при минимальном объеме обработки 80000 пластин в месяц. Для 450  мм пластин это значение составляет уже 150000 пластин в месяц.

            По этой причине множество мелких и средних производителей микроэлектроники и МЭМС используют пластины меньших диаметров (75-150 мм), экономя на приобретении  нового, высокопроизводительного и, соответственно, очень дорогого технологического оборудования.

Допуск на диаметр пластин важен при ориентации и базировании пластин на ряде технологических операций, его величина составляет ±(0,1-0,2 мм).

Базовые срезы на кремниевой пластине (основной и дополнительный) служат для дентификации ее кристаллографической ориентации и типа проводимости (рис. 2.5).  Они также могут использоваться для ориентации и базирования пластины в технологической оснастке (2.6, а).

Базовые и дополнительные срезы используются на пластинах диаметром до 150 мм включительно. Начиная с пластин диаметром 200 мм, взамен базового среза используют вырез (notch) треугольной формы  (рис. 2.6, б).

Вырезы, также как базовые срезы, используются для  ориентации и базирования пластин(рис. 2.6, в), однако они уже не могут идентифицировать  тип проводимости и кристаллографическую ориентацию пластин.

Толщина пластин, на первый взгляд, кажется непропорционально малой по сравнению с их диаметрами.  Однако напомним (см. модуль 1), что активные микроструктуры формируются в приповерхностном слое толщиной всего 6-10 мкм, который составляет 1-2 % от обшей толщины пластины. Поэтому значения толщины пластин в диапазоне 380-800 (925) мкм можно считать компромиссом между требованиями к жесткости и прочности подложки и стоимостью монокристаллического кремния. 

Толщина пластины обычно измеряется в ее центре. При выполнении серии измерений в нескольких точках можно определить общее изменение толщины  пластины  (Total Thickness Variation - TTV), которое равно разнице между максимальным (t_max) и минимальным (t_min) значениями измеренной толщины:

TTV = t_max – t_min

Для описания отклонений формы пластин используется ряд параметров (табл. 2.2).

Деформации пластины в свободном состоянии – прогиб и  коробление - определяются как исходным качеством изготовления пластины, так и воздействием на нее высокотемпературных операций нанесения функциональных слоев и легирования.

В отличие от прогиба (Bow), измеряемого только в центре пластины, коробление (Warp)  оценивает деформации всей срединной поверхности и учитывает максимальные (RPDmax - Reference Plane Deviation) и минимальные (RPDmin)отклонения срединной поверхности вверх и вниз от базовой плоскости:

Warp = RPDmax – RPDmin

Таблица 2.2.                                                             Параметры деформации  пластин

Важнейшим параметром пластин является плоскостность. При этом учитывается, что во время выполнения прецизионных операций микротехнологии пластина обычно крепится на вакуумном подложкодержателе. Ее обратная сторона плотно прижимается к плоской опорной поверхности держателя, также становясь максимально плоской. 

Для оценки плоскостности используются параметры (таблица 2.2):

· уже упомянутое ранее общее изменение толщины  пластины  TTV,  поскольку при прилегании обратной стороны пластины к плоскому держателю, разница между максимальным (t_max) и минимальным (t_min) значениями измеренной толщины пластины характеризует ее неплоскостность

· полное измеренное показание (Total Indicated Reading, TIR)  - максимальные отклонения поверхности пластины вверх и вниз от базовой плоскости. Чаще всего  в качестве базовой используется фокальная плоскость, поэтому этот параметр имеет эквивалентное название  отклонение фокальной плоскости (Focal Plane Deviation, FPD). 

Базовая плоскость проводится через выступы и впадины на поверхности пластины на основе регрессионного анализа измеренных значений. Выявляющийся при этом угол наклона верхней плоскости относительно нижней (опорной), может быть устранен в установке совмещения и экспонирования поворотом плоскости подложкодержателя на требуемое значение.

                 Отметим, что значения неплоскостности определяются как для всей поверхности пластины (Global Flatness), так и для отдельных участков (Site Flatness).

                 Для уменьшения микросколов,  внутренних напряжений и утолщений функциональных слоев на кромке пластины профильным шлифованием формируется фаска.  Контур фаски в соответствии со стандартом SEMI M73 может быть полукруглой формы или иметь более сложную форму (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Конфигурация и параметры фаски на кремневой пластине

В последнем случае контур включает скосы под углом f  к поверхностям пластины, плечи, образованные окружностями с радиусом r,  и вершину.  Параметры такого контура для пластины диаметром 450 мм приведены в таблице на рис 2.7.

Маркировка пластин необходима для их идентификации на протяжении многочисленных операций  технологического цикла. Частично эту функцию для пластин диаметром до 150 мм выполняют базовые срезы. Существенное расширение информативности обеспечивает лазерная маркировка в виде буквенно-цифровых кодов или штрихкодов, применяемая как на пластинах с базовым срезом (рис. 2.8, а), так и с базирующим вырезом (рис. 2.8, б).

Маркировка занимает часть рабочей поверхности пластины, это уменьшает количество размещаемых на ней кристаллов. Для устранения этого недостатка, маркировку  можно  размещать на вершине фаски пластины (рис. 2.8, в).