Шлифование и полирование подложек микроэлектронных устройств

При микроминиатюризации электронных средств широко используются подложки из различных пассивных и активных диэлектрических материалов и полупроводников. К подложкам предъявляются высокие требования по точности рабочих и базовых поверхностей, отклонению линейных и угловых размеров заготовок, а также качеству и шероховатости поверхностей. Эти требования зависят от конкретного назначения подложек.

Подложки устройств на объемно- и поверхностно-акустических волнах из пьезокварца, ниобата лития и пьезокерамики должны быть обработаны с неплоскостью рабочих поверхностей 0,0003-0,003 мм и шероховатостью Rz 0,1 - 0,032 мкм без рисок и царапин, превышающих величину Rz. Непараллельности рабочих поверхностей к базовым должны находиться в пределах 0,02 - 0,05 мм.

Подложки гибридных интегральных схем из керамики ВК94, поликора и ситалла СТ32-1 должны иметь рабочие поверхности с отклонением по неплоскостности 0,001 - 0,005 мм; непараллельность рабочих и базовых поверхностей от 0,005 - 0,07 мм. Отклонение по высоте не должно превышать 0,2 мм, а шероховатость рабочих поверхностей Ra не должна превышать 0,025 мкм.

Подложки полосковых печатных плат СВЧ приемных и передающих устройств из ситаллов, керамики и поликора должны иметь отклонение размеров по высоте в пределах 0,04 - 0,25 мм, неплоскость поверхностей в пределах 0,0006 - 0,005 мм и шероховатость поверхностей Rа 0,04 - 0,005 мкм.

Основными характеристиками резонаторов из пьезоматериалов являются собственная резонансная частота, моночастотность, разброс по частоте одной партии пластин, добротность и стабильность частоты. Для обеспечения высоких частотных характеристик резонаторов, например из пьезокварца, отклонения по толщине пластин не должны превышать 0,005 мм, неплоскостность поверхностей пластин составляет 0,0003 - 0,003 мм, непараллельность поверхностей не должна превышать 0,0025 мм; шероховатость рабочих поверхностей R_z 0,1 - 0,032 мкм; точность кристаллографической ориентации ± 0,1^'.

Жесткие требования предъявляются к подложкам из полупроводниковых материалов, так как сами элементы микросхемы часто имеют размеры всего нескольких микрометров, а их точность до десяти долей микрометра. Пластины из полупроводников должны отвечать следующим требованиям: разброс по неплоскостности не должен превышать 0,001 - 0,003 мм; разброс по плоскопараллельности – в пределах 0,003 - 0,004 мм; отклонение по толщине пластин в пределах 0,005 - 0,008 мм; шероховатость поверхности – Ra 0,01 - 0,02 мкм. Кроме того, поверхности пластин не должны иметь нарушенного (дефектного) слоя кристаллической структуры.

Получение высокой точности размеров по толщине по неплоскостности рабочих поверхностей и высокого качества поверхности по шероховатости выполняется путем подготовительного шлифования, доводки и полирования.

Предварительное шлифование осуществляют с целью съема основного припуска заготовки, полученной на предыдущих операциях, исправления формы и непараллельности рабочих и базовых поверхностей. Шлифование выполняют на плоскошлифовальных станках торцом алмазного круга или периферией алмазного круга. Схема шлифования на станке торцом алмазного круга, который крепится на вертикальном шпинделе 2. Обрабатываемые подложки устанавливают на круглом вращающемся столике 3 шлифовального станка.

Алмазный круг 1 осуществляет вращательное движение, а прямоугольный стол 2 с подложками 3 выполняют возвратно-поступательное движение. Существуют шлифовальные станки, в которых заготовки располагаются на круглом, вращающемся вокруг своей оси, столике.

Шлифование осуществляется при скоростях вращения шлифовального круга 9000 - 12000 об/мин; частота вращения стола 5 - 25 об/мин. Для охлаждения зоны обработки подложек применяют смазочно-охлаждающую жидкость СОЖ, состоящую из 99 % воды и 1 % нитрата натрия.

В качестве шлифовального инструмента применяют шлифовальные круги на основе износостойких керамических, органических или металлических связок, а в качестве абразивного материала - алмазные порошки определенной зернистости. Для съема основного припуска заготовок и исправления формы заготовок, когда шероховатость поверхности составляет 0,63 - 0,2 мкм, используют алмазные круги зернистостью 100/80, а для подготовки подложек под доводку с шероховатостью поверхности 0,063 - 0,032 мкм – алмазные круги зернистостью 40/28 (цифры обозначают размер зерна абразива в сотых долях мм).

Крепление заготовок подложек на столиках при шлифовании осуществляют приклейкой клеющими веществами, в качестве которых применяют в основном воско-канифольные мастики (20 % воска, 80 % канифоли). Приклеивание подложек на предварительно подготовленную базовую поверхность выполняют по контуру, исключая показание клеющего вещества на базовую поверхность. Для шлифования больших партий подложек одного габаритного размера и толщины существуют шлифовальные станки, в которых крепление осуществляется вакуумным прижатием пластин к поверхности столика.

Процесс шлифования сопровождается износом алмазного круга, что приводит к снижению качества обрабатываемой поверхности подложек. Поэтому шлифовальные круги подвергают периодической правке на специальных станках абразивными брусками, а правку абразивных кругов с металлической связкой выполняют на станках с электроалмазной обработкой.

Механическую доводку подложек выполняют абразивными микропорошками с целью повышения точности формы, снижения шероховатости поверхности и толщины нарушенного слоя после шлифования, обеспечения максимальной параллельности рабочих и базовых поверхностей, а также подготовки подложек для полирования. Различают предварительную и окончательную доводку подложек. Предварительную - осуществляют на двухдисковых станках с планетарным приводом кассет для размещения заготовок при одновременной обработке рабочих и базовых поверхностей подложек.

Зубчатое колесо внутреннее 1 передает вращательное движение сепаратору 6, который обкатывается в свою очередь по неподвижному зубчатому колесу 3. Внутри сепаратора размещены обрабатываемые подложки 5; верхний 2 и нижний 4 диски неподвижны. Для снижения неравномерности износа рабочих поверхностей и отвода шлама на поверхности неподвижных дисков наносят взаимно-перпендикулярные канавки.

Механическую доводку подложек из керамики и поликора осуществляют алмазными пастами, в состав которых входят порошок алмазный зернистостью 28/20, стеарин, воск пчелиный, парафин и масло растительное, или алмазными суспензиями (порошок алмазный 28/20, стеарин, парафин, воск пчелиный, масло растительное, керосин). Для доводки подложек из пьезокерамики, пьезокварца, ниобата лития, ситаллов и полупроводников применяют абразивные суспензии, состоящие из карбида кремния зернистостью М40, М28, М14 и керосина.

При окончательной доводке производится односторонняя шлифовка поверхностей. Доводка осуществляется на однодисковых станках с фрикционным приводом. Обрабатываемые подложки 1 приклеиваются с помощью мастики на верхний плавающий диск – сепаратор 4, который осуществляет возвратно-поступательное движение относительно доводочного диска 2, вращающегося с частотой 25 - 50 об/мин. Для доводки подложек из керамики и поликора применяют доводочный диск из меди марки М1, а для доводки подложек из ситалла полупроводников и пьезоматериалов – из оптического стекла или латуни марки ЛС59-1.

Окончательную доводку подложек из керамики и поликора проводят с применением алмазной пасты или алмазной суспензии зернистостью 5/3, 3/2, а для подложек из ситалла, полупроводников и пьезоматериалов - абразивными суспензиями на основе карбида кремния зернистостью М14-М5. При окончательной доводке подложки должны отвечать следующим требованиям:

неплоскостность рабочих поверхностей 0,003 - 0,005 мм;

непаралллельность обрабатываемых поверхностей 0,005-0,02 мм;

отклонение линейного размера по высоте – 0,025 - 0,06 мм;

шероховатость рабочих поверхностей R_z 0,1 - 0,063 мкм.

Полирование подложек осуществляется с целью достижения минимального нарушенного слоя, полученного при шлифовке и доводке, достижения неплоскостности рабочих поверхностей в пределах 0,0001 - 0,001 мм и непараллельности рабочих и базовых поверхностей от 0,005 до 0,01 мм; повышения качественного состояния поверхностного слоя с шероховатостью R_z от 0,032 до 0,025 мкм.

Полирование подложек производится на однодисковых доводочных станках с принудительным приводом или на однодисковых доводочных станках с фрикционным приводом.

На нижнем высокоточном диске 2 приклеен полировальник 1; материал полировальника зависит от материала обрабатываемой подложки. Так для полирования подложек из ситалла, пьезокерамики и полупроводников используется полировальник из искусственной кожи, войлока тонкошерстного; для полирования подложек из пьезокварца и ниобата лития – полировальник из ткани капроновой или специальной полировочной смолы. Подложки 3 размещаются в сепараторах – кассетах по периметру верхнего диска 5. При полировке пластины совершают сложное поступательное и вращательное движение за счет разницы окружной скорости по радиусу шлифовального диска 2. При пониженных требованиях по точности и неплоскостности к подложкам полирование может осуществляться на шлифовальном станке, у которого на вертикальном шпинделе вместо алмазного торцевого круга устанавливают круг с полировальником.

В том случае, когда необходимо обеспечить одновременное полирование двух рабочих поверхностей, например пластин из пьезокварца и полупроводников, применяют двухдисковые станки с планетарным приводом кассет для размещения пластин.

Для полировки пластин на рабочие поверхности неподвижных дисков 1 и 7 нанесены полировальники 2 и 5 из искусственной кожи, фетра или велюра, батиста, фланели.

Для полирования подложек применяют пасты или суспензии, вид которых зависит от материала подложек. При полировании подложек из керамики и поликора используют алмазные суспензии или алмазные пасты зернистостью микропорошков 5/2, 3/2; для полирования подложек из ситалла и пьезокерамики – алмазные суспензии зернистостью микропорошков 3/2, 1/0. Окончательная полировка подложек из пьезокварца осуществляется с применением суспензии на основе поликора (10 % порошка, 30 % воды), который представляет собой смесь окислов редкоземельных металлов.

В качестве полирующего абразивного материала при полировке полупроводниковых пластин применяют алмазные суспензии зернистостью 3/1, суспензии на основе окиси хрома или полирита; при этом полировку осуществляют в несколько этапов. После окончательной механической полировки на поверхности полупроводниковых пластин остается нарушенный слой толщиной 0,7 - 1,0 мкм, который удаляется химическим травлением в плавиковой кислоте.