Лазеры в электронике: утонение кремния
Сегодня мы поговорим про интересный процесс — утонение кремния.
Лазерное утонение предлагает ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами, повышая производительность и качество электронных устройств.
План статьи:
Описание процесса
Обзор и сравнение методов
Выбор оптимального метода
Примеры выполнения утонения с помощью лазерной системы
Что Будет Дальше?
Начнем с базы:
Утонение — это процесс уменьшения толщины материала. Основной задачей является получении необходимой толщины материала с минимально возможной шероховатостью для дальнейшей шлифовки.
Зачем и для каких задач нужно утонять кремний?
Одним из наиболее распространённых материалов необходимых для производства полупроводниковых приборов является кремний. Поэтому утонение кремниевых пластин — задача, с которой не раз работали наши технологи.
Утонение играет важную роль в улучшении характеристик электронных компонентов (интегральных микросхем, транзисторов, детекторов и сенсоров, датчиков, оптоэлектронных компонентов, солнечных элементов и др.): уменьшение массы и размеров, увеличение гибкости, улучшение охлаждения.
Рассмотрим основные виды утонения:
1. Механическое шлифование.
Удаление материала с помощью абразивного инструмента.
При механическом утонении высок риск повреждения поверхности пластины и тяжело добиться равномерной толщины пластины. Преимуществом этого метода является сравнительно низкая стоимость оборудования.
2. Химическое травление.
Удаление материала с помощью воздействия химическими реактивами.
*Новокрещенова Е.П. ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет». — 2012.
С помощью этого метода можно получать пластины с минимальной толщиной и шероховатостью. Однако химические реактивы для травления считаются довольно дорогими (точную цену назвать сложно, так как травление проходит в несколько ступеней и под каждый этап нужны свои реактивы в разных объёмах). Скорость утонения составляет не более 240 мкм/мин.
3. Ионное утонение
В ходе ионной бомбардировки происходит распыление поверхности образца за счет выбивания ионами поверхностных атомов.
*Котов Д.А. и др. Технологические процессы осаждения и травления в технологии изготовления ИМС и МЭМС: учебно-методическое пособие. — 2020.
С помощью этого метода также можно получить пластины с малой толщиной и шероховатостью. Главными сложностями является крайне низкая скорость утонения — порядка 0,1–0,2 мкм/мин, дороговизна оборудования и необходимость создания особых условий для корректного функционирования оборудования.
К примеру, для работы лазерной установки можно установить аспирационные системы. Для корректной работы системы ионного утонения нужно как минимум обеспечить наличие вакуума.
4. Лазерное утонение.
Удаление материала с помощью коротких лазерных импульсов.
Лазерный метод позволяет достичь высокой скорости утонения — до 22 мм3/ч. Можно и быстрее, однако увеличение скорости обработки может негативно сказаться на качестве поверхности.
Преимущество метода — он не требует использования расходных материалов.
Ограничение метода — невозможность получения пластин с очень малым значением шероховатости и толщины.
Выбор оптимального метода
В таблице показано сравнения характеристик 4 методов.
Параметры утоненных пластин, полученные с помощью разных методов, промаркированы от 1 max до 4 min. Скорость при механическом шлифовании очень сильно зависит от качества поверхности (которое необходимо получить), а также особенностей установки и материалов. Поэтому здесь мы не можем указать даже порядок этого значения. Химическое травление, ионное и лазерное утонение позволяют получить утоненную пластину с относительно постоянным значением ширины по её поверхности. Сложности с этим в основном возникают только при механическом утонении.
Метод | Стоимость (1 max — 4 min) | Скорость (1 max — 4 min) | «Гладкость», получаемой поверхности (1 max — 4 min) | Равномерность толщины по поверхности пластины (1 max — 4 min) |
Механическое шлифование | 4 | 1 | 4 | 2 |
Химическое травление | 2 | 3 240 мкм/мин | 2 | 1 |
Ионное утонение | 1 | 4 0,1–0,2 мкм/мин | 1 | 1 |
Лазерное утонение | 3 | 2 от 22 мм3/ч | 3 | 1 |
По нашему мнению, оптимальным решением является сочетание методов лазерного утонения и химического травления. На первом этапе с помощью лазерного утонения сравнительно быстро можно убрать основной объем материала. В итоге мы получим пластину равномерной толщины и значением шероховатости, прекрасно подходящую для дальнейшего травления. На втором этапе с помощью химического травления можно добиться нужного значения толщины и шероховатости.
Примеры выполнения утонения с помощью лазерной системы «МикроСЕТ»:
Первый пример. Утонение кремниевой пластины до 50 мкм
На рис. 1 показано лазерное утоненная пластина кремния. Размеры пластины 30×20 мм, толщина 500 мкм. На первом этапе производится лазерное утонение с высокой скоростью. Утонение производилось до толщины 70 мкм со скоростью от 22 мм3/ч.
Рис. 1. Лазерное утонение кремния
После первого этапа обработки мы получаем грубый рельеф поверхности пластины. На втором этапе для получения гладкой поверхности можно использовать химическое травление и уменьшить толщину пластины до 50 мкм.
Рис. 2. Кремниевая пластина после химического травления
Итоговый результат травления: поверхность утоненной пластины гладкая, толщина постоянная и пластина симметричная.
Второй пример. Создание кремниевой мембраны толщиной 25 мкм
В этом случае задача сложнее, ведь при уменьшении финальной толщины нужно тщательнее подбирать режимы обработки, чтобы не прожечь материал. На рис. 3 показаны лазерно-утоненные кремниевые пластины толщиной 460 мкм, утонение проводилось до толщины 25 мкм.
Рис. 3. (а) Утонение кремниевой пластины, (б) фотография утоненной кремниевой пластины
В результате мы видим, что поверхность утоненной пластины гладкая, толщина постоянная и пластина симметричная.
Третий пример. Утонение корпуса детали и создание отверстия.
Это относительно простая задача. В данном случае шероховатость полученной поверхности была не важна, поэтому было произведено только лазерное утонение. На рис. 4 показаны лазерно-утоненные кремниевые пластины размером 2×2 мм и толщиной 600 мкм. Производилось утонение пластины до 200 мкм и вырезка отверстия диаметром 500 мкм.
По финальному результату мы видим, что даже при использовании только лазерного утонения поверхность пластины получается весьма гладкой, а пластина и отверстие симметричными и ровными.
Мы рады продолжать делиться нашими знаниями и опытом в области лазерных технологий.
Пишите в комментариях, о чём бы вы хотели узнать. О лазерной обработке разных материалов? Современных станках? Новых технологиях?
Ваши вопросы помогут нам подготовить новые интересные публикации :)
