Повышение качества полупроводниковых чувствительных

Цибизов П.Н., Астахова Т.В.
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ,
ПУТЕМ ИХ ГРУППОВОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИМ ТРАВЛЕНИЕМ
При изготовлении чувствительных элементов микроэлектронных датчиков давления (ЧЭ МЭДД) используются групповые методы обработки, когда на одной пластине получаются десятки или сотни однотипных кристаллов [2]. Перед размещением их в корпуса датчиков и герметизацией пластину необходимо
разделить на отдельные кристаллы. Операция разделения является критической операцией всего технологического процесса, влияющая на точность установки чувствительного элемента в корпус, и как
следствие, на метрологическое характеристики (чувствительность, основная погрешность) датчика в
целом.
В настоящее время существуют следующие методы разделения кристаллов ЧЭ [1, 3, 4]: ультразвуковой, электроэрозионный, лазерный, метод с предварительным утонением, плазменный с изотропным
травлением.
Результаты исследования внешних видов кристаллов и их граней после разделения пластин различными методами (методы, позволяющие разделять кристаллы чувствительного элемента круглой формы)
представлены на рис. 1. а - кристалл, разделенный ультразвуковым методом, б – кристалл, разделенный электроэрозионной резкой, в – кристалл, разделенный лазерной резкой, г - кристалл, разделенный методом с предварительным утонением, д - кристалл, разделенный стандартным изотропным травителем в плазме.
Рис. 1. Фотографии фрагментов граней кристаллов после разделения
На рис. 1, б - участок с окалиной по краям реза с верхней и нижней сторон; на рис. 1, в - характерный наплыв материала образованный лазерной резкой; на рис. 1, г – участок с макронеровностями, возникающих из-за особенностей метода анизотропного травления; на рис. 1, д – участок с
микронеровностями, возникающих из-за наличия посторонних включений (продукты распада кремния).
Результаты размещения ЧЭ в корпусе после разделения одним из методов представлены на рис. 2.
На рисунке прослеживается неточность центрирования, обусловленная наличием дефектов (микро- и
макронеровностей) на границе разделения, и выраженная в наличии видимого расстояния (проствета) в
одной из сторон ЧЭ и корпуса.
а
б
Рис. 2. Размещение чувствительного элемента в корпусе датчика: а – наличие микронеровностей; б
– наличие макронеровностей
На основании анализа источников [1, 2, 3, 4] и результатов исследований представленных на рис.
1 и 2, можно сделать следующие выводы:
- методы группового разделения пластин с круглыми кристаллами, используемые в производстве в
настоящее время, имеют низкий коэффициент групповой обработки.
- при использовании современных методов разделения на пластины кристаллы, полученные грани содержат дефекты, или посторонние включения (частично устраняемые путем введения дополнительных
операций), влияющие как на характеристики датчика давления на основе таких кристаллов. При этом,
за счет ухудшения юстировки чувствительного элемента в корпусе датчика, увеличивается погрешность
линейности выходного сигнала [5];
- существующие методы разделения пластин на кристаллы не удовлетворяют возросшим требованиям
по точности центрирования ЧЭ в корпусе, из-за низкого качества разделения, обусловленного наличием значительной шероховатости на границе разделения;
- из проанализированных современных методов, наиболее перспективным, с точки зрения качества
разделения, является метод, представленный на рис. 1, д, который позволяет реализовывать высокую
заданную точность разделения, однако требует модификации для устранения микровыступов на границе
разделения.
На основе проведенных исследований методов изготовления и разделения кристаллов чувствительного элемента, разработан метод изготовления чувствительных элементов включающий разделение пластин на кристаллы и устраняющий выявленные недостатки существующих методов.
Последовательность операций разработанного метода поясняется рис. 3.
3
4
1
2
а
6
5
б
8
9
10
9
7
в
11
11
г
10
д
Рис. 3. Этапы технологического маршрута разделения чувствительных элементов: (1 - полупроводниковая пластина; 2 - области с элементами топологии полупроводниковых приборов; 3 - элементов
схемы; 4 - контактная металлизация; 5 – сформированная полость под каждой областью с элементами
топологии полупроводниковых приборов; 6 - участок жесткости; 7, 8 - металлическое покрытие; 9 окна над соответствующими границами разделения пластины; 10 - кристалл; 11 – участки травления
между кристаллами).
Формирование (рис. 3, а) на одной из сторон кремниевой пластины 1 области с элементами топологии полупроводниковых приборов 2.
Утонение пластины (рис. 3, б) путем изотропного травления с получением полостей 5 расположенных только под кристаллами.
Дно полости имеет размеры, ограниченные размерами кристалла в нижнем значении диапазона и
плотностью топологического размещения кристаллов на пластине в верхнем значении диапазона с одновременным образованием участков жесткости 6.
Нанесение защитной маски 7 (рис. 3, в), обеспечивающей защиту периферийных областей пластины
таким образом, что внутренняя конфигурация периферии площади маски совпадает с наружной конфигурацией периферии площади структур на лицевой стороне пластины.
Формирование защитного металлического покрытия 8 с окнами, 9 расположенными только над соответствующими границами разделения пластины на кристаллы 10 с учетом бокового подтравливания, причем окна имеют ширину, ограниченную возможностью проведения процесса травления в нижнем значении
диапазона и плотностью топологического размещения кристаллов на пластине в верхнем значении диапазона.
Плазмохимическое травление пластины в участках под окнами 11 (рис. 3, г) с последующим разделением ее на кристаллы (рис.3, д).
Введение предложенного способа изготовления позволяет формировать элементы жесткости, равномерно распределенные по всей площади пластины и расположенные под областями вне размещения элементов схемы, что обеспечивает повышение прочности структуры за счет увеличения площади пластины,
имеющей большую, чем кристалл толщину, и равную толщине исходной пластины.
Это повышает процент выхода годных, а формирование элементов жесткости, равномерно распределенных по всей площади пластины, позволяет повысить технологичность данного способа за счет возможности формирования кристаллов на пластинах диаметром до 125 мм с повышенным в 2…5 раз коэффициентом групповой обработки (одновременно возможно изготовление на одной пластине до нескольких
сотен кристаллов).
В данном методе, за счет повышения прочности структуры, возможно формирование тонких (в 2…10
раз меньшей толщины, чем исходная пластина) кристаллов, что позволяет повысить их чувствительность.
При проведении процесса разделения травлением, за счет уменьшения площади участков кремния,
подвергающегося распаду в результате травления и активно поставляющего продукты распада непосредственно на границу травления, уменьшается число посторонних включений в активной зоне. Это увеличивает точность по габаритам кристаллов, что упрощает процессы сборки кристаллов в корпус датчика и повышает метрологические характеристики датчика.
Визуальный анализ данного образца кристалла с образцами, представленными на рис. 1, показал,
что разработанный метод является наиболее оптимальным (граница разделения по краям кристалла не
имеет сколов, выступов, трещин и др. дефектов, рис. 4) для разделения пластин на кристаллы. Фотография модуля измерительного состоящего из корпуса и установленного в нем разделенного ЧЭ представлена на рис. 5.
Рис.
4. Кристалл после разделения
Рис. 5. Размещение разделенного кристалла в модуле измерительном
Время травления пластин варьировалось в пределах от 3 до 5 часов.
В результате проведения экспериментальных работ определен оптимальный диапазон скорости травления кремния на установке 08 ПХО 100Т-001. Он составил от 0,6 до 0,85 мкм/мин. (скорость травления кремния на установке 08 ПХО 100Т-008 составляет от 0,3 до 0,5 мкм/мин.).
Литература
1. Ваганов В.И. Интегральные преобразователи. – М.: Энергоатомиздат, 1983.
2. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. Справочник – М.: Радио и связь, 1991.
3. Киреев В.Ю. Плазмо-химическое и ионно-химическое травление микроструктур. - М.: Радио и
связь, 1985.
4. Никифиорова-Денисова С.Н. Механическая и химическая обработка. Уч. пособие. – М.: Высшая
шк., 1989. – 95 с.
5. Цибизов П.Н. Чувствительные элементы для микроэлектронных датчиков давления информационноизмерительных систем: диссертация кандидата технических наук: 05.11.14, 05.11.16 Пенза, 2007 173
с. РГБ ОД, 61:07-5/3544.