Při výrobě polovodičových destiček je broušení základním, ale kritickým procesem. Od ztenčování zadní strany po krájení křemíkových ingotů až po odstraňování vrstev poškození povrchu z materiálů substrátu, každý případ odstraňování materiálu a řízení tloušťky závisí na třídě snadno přehlédnutelných, ale nezbytných keramických{1}} keramických brusných desek. Možná neovládají světlo reflektorů jako litografické stroje, ani nejsou tak známé-jako leptače, přesto slouží jako základní platforma, která nese destičky během broušení. Jejich přesnost, stabilita a čistota přímo určují kvalitu obrábění a konečnou výtěžnost waferů.
I. Proč musí být brusné desky "keramizovány"?
Hlavními úkoly procesu broušení jsou: odstranění otisků a poškození vrstev z nakrájeného povrchu plátku, kontrola rovnoměrnosti tloušťky plátku a oprava deformace způsobené řezáním. Vzhledem k tomu, že se uzly procesu čipu stále zmenšují, požadavky na rovinnost povrchu destiček se dostaly do rozsahu nanometrů; současně-přechod z 8palcových na 12palcové wafery výrazně zvýšil obtížnost zpracování.
Tradiční brusné desky jsou většinou vyrobeny z litiny nebo kovových materiálů. Během procesu broušení jsou náchylné k uvolňování volných kovových iontů, což způsobuje povrchovou kontaminaci destiček. Kovové desky se navíc vyznačují vysokou mírou opotřebení a nízkou přesností, což je znemožňuje splnit požadavky na ultra{2}}přesné obrábění plátků velkého-průměru. Ve srovnání s kovovými brusnými deskami nabízejí keramické brusné desky významné výhody:
01 Ultra-vysoká tvrdost a odolnost proti opotřebení
Tvrdost keramiky daleko převyšuje tvrdost tradičních kovových materiálů. Tato vysoká tvrdost zajišťuje extrémně nízkou ztrátu povrchu desky během dlouhodobého provozu, což umožňuje desce stabilně udržovat stav povrchu a přesnost obrábění, čímž se účinně prodlužuje cyklus výměny spotřebního materiálu.
02 Žádná kontaminace volnými kovovými ionty
Vysoce čistý oxid hlinitý, nitrid křemíku a další keramiky jsou založeny na oxidových nebo nitridových matricích. Během procesu broušení neuvolňují volné kovové ionty, čímž účinně zabraňují problémům s kontaminací plátků spojenými s kovovými deskami. To nejen zjednodušuje následné kroky čištění, ale také přispívá ke zlepšení výtěžnosti produktu.
03 Vynikající tepelná rozměrová stabilita
Broušení vytváří značné třecí teplo. Keramické materiály mají nízké koeficienty tepelné roztažnosti a vysoké moduly pružnosti, díky čemuž jsou odolné vůči tepelné deformaci za podmínek vysokorychlostního broušení-. Mohou udržovat vysokou rovinnost desky po dlouhou dobu, což zajišťuje rovnoměrnost tloušťky plátku.
04 Umožňuje extrémně vysokou rovinnost obrábění
Díky využití vysoké tuhosti keramických materiálů a pokročilých technologií přesného obrábění lze rovinnost-keramických brusných desek řídit na mikronové nebo dokonce sub-mikronové úrovni-, což je zásadní zárukou pro dosažení vynikající rovinnosti povrchu po ztenčení plátků.
II. Hlavní keramické materiály pro brusné desky a jejich aplikační scénáře
Různé podmínky broušení (velikost plátku, materiál substrátu, přesnost obrábění atd.) kladou na materiály brusných desek různé požadavky. V současné době se v oblasti polovodičů používají převážně čtyři typy keramických materiálů:
01 Keramika z oxidu hlinitého
Díky vyváženému celkovému výkonu a kontrolovatelným nákladům je oxid hlinitý nejrozšířenějším materiálem brusných desek, který je vhodný především pro hrubé a jemné broušení na většině 8palcových a menších křemíkových plátků. Jeho tvrdost podle Vickerse je přibližně 15–18 GPa, pevnost v ohybu 300–450 MPa a koeficient tepelné roztažnosti asi 7×10⁻⁶/K.
02 Keramika z nitridu křemíku
S pevností v ohybu dosahující 700–1000 MPa a lomovou houževnatostí 6–8 MPa·m¹/² je nitrid křemíku odolný vůči šíření trhlin pod napětím a vykazuje vynikající odolnost proti opotřebení. Jeho koeficient tepelné roztažnosti, přibližně 3,5×10⁻⁶/K, se velmi blíží koeficientu křemíkových plátků, takže je zvláště vhodný pro přesné ztenčení křemíkových plátků s velkým průměrem 12-palců-, jakož i pro procesy tvrdého broušení polovodičových substrátů třetí generace, jako je nitridaluminiumsilicon.
03 Zirkonová keramika
S lomovou houževnatostí dosahující 7–10 MPa·m¹/² a vynikající chemickou stabilitou má oxid zirkoničitý o něco nižší tvrdost než oxid hlinitý a karbid křemíku. Běžně se používá v pomocných součástech, jako jsou pojistné kroužky a přítlačné kroužky v brusném zařízení. Tyto součásti jsou v dlouhodobém kontaktu s brusnou suspenzí a mohou být vystaveny nárazu; Vysoká houževnatost a chemická stabilita oxidu zirkoničitého účinně zabraňují lámání a zabraňují kontaminaci plátků.
04 Keramika z karbidu křemíku
Ze čtyř materiálů má nejvyšší tvrdost karbid křemíku s tvrdostí podle Vickerse 23–28 GPa a vynikající odolností proti opotřebení. Jeho koeficient tepelné roztažnosti je přibližně 4×10⁻⁶/K, což v podstatě odpovídá koeficientu křemíkových plátků, což zajišťuje, že během vysokorychlostního broušení-nedochází k žádnému tepelnému namáhání, což z něj činí materiál volby pro vysokorychlostní broušení. V procesech samo-broušení substrátů z karbidu křemíku nabízejí brusné desky ze stejného materiálu přizpůsobení tvrdosti a chemickou kompatibilitu, které zabraňují riziku kontaminace potenciálně způsobenému odlišnými materiály, a poskytují jedinečnou kompatibilitu procesu.
III. Základní technické výzvy
V praktických aplikacích mají keramické brusné desky často struktury, jako jsou vakuové sací otvory, drážky a polohovací stupně, které vyžadují extrémně vysokou přesnost obrábění. Jejich výroba zahrnuje několik základních technických překážek:
01 Kontrola jednotnosti pro velké průměry
Brusné desky pro 12-palcové destičky obvykle přesahují průměr 300 mm, některé specifikace dosahují až 800 mm. Během tváření a vysokoteplotního slinování dochází u keramických práškových výlisků k nerovnoměrnému smršťování v různých oblastech-, což vede k deformaci, deformaci nebo dokonce praskání. Současná hlavní řešení zahrnují: použití izostatického lisování za studena k získání stejnoměrných výlisků s vysokou-hustotou (které vyvíjejí tlak rovnoměrně ze všech směrů, aby se zabránilo gradientům hustoty způsobujícím rozdílné smršťování), v kombinaci se segmentovaným slinováním s řízenou teplotou a zavedením slinovacích pomůcek pro podporu rovnoměrného růstu zrn.
02 Ultra{1}}Přesné obrábění
Rovinnost, rovnoběžnost a drsnost povrchu brusných desek přímo určují kvalitu obrábění destiček. Vzhledem k vysoké tvrdosti keramiky jsou ke kontrole plochosti na mikronové nebo sub-mikronové úrovni zapotřebí specializované super-abrazivní nástroje a přesné obráběcí stroje. Obecný postup zpracování je: hrubé broušení → jemné broušení → lapování → leštění, se základním vybavením včetně vysoce přesných povrchových brusek-a oboustranných- lapovacích/leštících strojů.
03 Kontrola materiálové čistoty
Stopové kovové nečistoty se mohou během broušení přenést na povrch destičky a způsobit vady. Obecně se požaduje, aby čistota prášku byla vyšší než 99,99 %. Proces spékání využívá kelímky s vysokou-čistotou, ve fázi obrábění se používají diamantové nástroje a chladicí kapalina deionizovaná voda a kovové zbytky na povrchu desky jsou pravidelně kontrolovány.
Kromě výrobních procesů je stejně důležitá správná údržba během skutečného používání keramických brusných desek. Po delším provozu jsou desky náchylné k povrchovému zasklívání a ucpávání drážek. Podle zkušeností v oboru může pravidelné orovnávání povrchu desek diamantovými orovnávači v kombinaci s vysokotlakou deionizovanou vodou nebo ultrazvukovým čištěním drážek prodloužit životnost keramických desek o 30–50 %.