СКРАЙБИРОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН ПРОВОЛОЧНЫМ ЭЛЕКТРОдом-ИНСТРУМЕНТОМ

Полный текст

Введение. В современной микроэлектронике полупроводники являются основными материалами и нашли широкое применение в автоматизированных вычислительных и информационных системах управления ракет, ракет-носителей и космических аппаратов. Для получения интегральных микросхем и применения в приборах полупроводниковые пластины разделяют на кристаллы, форма которых может быть круглой, квадратной, прямоугольной и овальной. Наиболее широко используются кристаллы квадратной и прямоугольной формы. В настоящее время нашли применение следующие способы разделения полупроводниковых пластин на кристаллы: скрайбирование алмазным резцом, лазерным лучом, алмазным диском, режущим полотном, резка проволокой [1-10]. Основным достоинством метода скрайбирования является малая ширина прорези, а следовательно, и отсутствие потерь полупроводникового материала, которых невозможно избежать при использовании других методов разделения пластины на кристаллы. Наиболее широко скрайбирование используют в планарной технологии изготовления интегральных микросхем, когда на пластине уже сформированы полупроводниковые структуры. Недостатками использования алмазного инструмента и лазерного луча являются загрязненность поверхности кристаллов пылевидными образованиями, от нанесенных рисок образуются нарушенные области с большим количеством микротрещин, сколов и других дефектов (приводит к браку готовых кристаллов), попадание капель и паров материала полупроводника на поверхность кристалла, а также сложность оборудования для скрайбирования полупроводниковых пластин [11-13]. Поэтому разработка новых способов скрайбирования без указанных недостатков является актуальной задачей. Предлагаемый метод обработки поверхности полупроводниковой пластины. Избавиться от загрязненности при скайбировании можно обработкой поверхности полупроводников вибрирующим проволочным электродом-инструментом. Наложение колебаний на проволоку создает бегущую волну деформации вдоль проволоки. Таким образом, инструмент принимает форму синусоиды, перемещающейся вдоль поверхности полупроводника. При периодическом обрыве электрического контакта между проволокой и поверхностью полупроводника происходит электрический разряд, что приводит к эрозионному разрушению материала. Эти точки контакта (точки эрозии) движутся по поверхности детали вдоль одной линии. Скорость их движения равна скорости распространения волны. С течением времени вдоль линии образуется зона повышенного механического напряжения, по которой происходит разделение полупроводниковой пластины. Время контакта электродов зависит от скорости движения волны и её формы, что влияет на длительность импульса тока при обработке вибрирующим электродом-инструментом. Определить скорость движения точек контакта инструмента и детали, а также число точек контакта, одновременно бегущих вдоль линии реза, форму волны и её фазу можно, построив модель колебания проволоки и модель процесса движения изгибных волн вдоль неё. Для определения волнового движения гибкой нити воспользуемся геометрическим заданием волны (т. е. заданием формы контура волны и скорости её движения) и законом сохранения массы. В механике гибкой нитью называют материальную линию, обладающую массой, а следовательно, и некоторой собственной линейной плотностью ρ0 [кг/м]. Для однородной нити ρ0 = const. Примем, что гибкая нить обладает постоянной линейной плотностью ρ, и масса отрезка нити длиной l равна m = ρl. Скорость v бегущей вдоль струны волны согласно [14] определим по выражению (1) где Т0 - сила натяжения струны; F - площадь поперечного сечения струны. Таким образом, волны распространяются вдоль абсолютно гибкого тела при условии наличия силы натяжения нити. Скорость их распространения будет определяться лишь величиной силы натяжения Т0 (при заданных значениях ρ и F нити). Если нить обладает какой-либо жёсткостью на изгиб, то распространение волн вдоль неё будет обусловливаться напряжениями, возникающими при изгибной деформации. Следовательно, в этом случае усилие натяжения может быть равным нулю. Требования к выбору материала электрода-инструмента. Для электродов-инструментов необходимо выбирать сплавы, обладающие коррозионной стойкостью, высокой электропроводностью, хорошей сопротивляемостью местному разрушению при коротких замыканиях, высокой адгезией к диэлектрическим покрытиям, достаточной механической прочностью и обрабатываемостью, низкой стоимостью. Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют медь, медные сплавы и нержавеющие стали [15]. В экспериментах в качестве инструмента предполагается применение медной проволоки. Она обладает некоторыми упругими свойствами, и напряжения деформации будут влиять на скорость распространения волн. Определение длины бегущей волны. Определённая выше скорость v - это, по сути, скорость распространения поперечного импульса вдоль струны. Согласно [14], при колебании струны и принятых выше допущениях скорость распространения импульса v равна скорости распространения волны (фазовой скорости). Кроме определения скорости движения точки контакта необходимо определить, сколько таких точек будет перемещаться одновременно вдоль поверхности пластины. Анализ процесса скрайбирования таким способом показал, что достаточно, чтобы вдоль поверхности последовательно перемещалось хотя бы по одной точке контакта (рис. 1). Вследствие контакта электродов в точке а сила тока на участке проволоки l2 гораздо ниже, чем на участке l1, поэтому сила тока разряда в точке b очень незначительна, и эффект эрозии в этой точке также незначителен. Таким образом, при показанном на рис. 1 подводе тока к электродам обработку «ведёт» только точка а. Смещаясь вправо до бывшего положения точки b, возникает следующая точка контакта, лежащая слева от точки а на расстоянии длины волны l. То есть происходит смена «рабочей точки». Из этого следует, что длина реза L определяется длиной волны l. Определив длину волны, можно определить максимальную длину скрайбируемой пластины (L ≤ l). Следует отметить, что это верно лишь при подводе электрода с одного конца проволоки. Если подвод тока осуществляется с двух концов проволоки, то длина волны l не определяет длину реза L. Определить длину волны можно, построив модель колебаний струны. Уравнение поперечных колебаний натянутой струны имеет вид [16] (2) где u - смещение точки струны в направлении, перпендикулярном оси ОX; m0 - масса единицы длины струны. Уравнение (2) есть уравнение стоячей волны. Возникновение стоячих волн обусловлено сложением бегущих прямых и отраженных волн. Отражение происходит от точки закрепления струны. В этом случае не происходит движение «холмов» и «впадин» вдоль поверхности, что не удовлетворяет требуемым условиям проведения процесса скрайбирования. Согласно [14], это происходит, если волны, бегущие вдоль струны, дойдя до точки закрепления второго конца, не успевают затухнуть. Они, отражаясь от препятствия, искажают картину распространения волн. Если на длине струны укладывается очень большое количество воли, то бегущая волна успеет полностью затухнуть, и второй конец струны не будет играть существенной роли. Таким образом, результаты, полученные для бесконечно длинной струны, не обладающей затуханием, применимы к тем случаям, когда затухание бегущих волн на расстоянии одной длины волны очень мало, но на всей длине струны укладывается большое число волн. Для того, чтобы вдоль натянутой струны бежали волны, необходимо создать определённые условия: 1) длина проволоки l должна содержать большое число волн длиной l, что создаёт условия затухания волн на закреплённом конце проволоки; 2) затухание волн на расстоянии одной длины волны должно быть пренебрежительно малым. Описание эксперимента. Для экспериментов использовалась медная проволока диаметром d = 0,35 мм, длиной l = 1,5 м. Время контакта с поверхностью одной точки, если длина и ширина контакта dx (рис. 2), определим по выражению Измеренное значение длины волны lэ = 0,15 м при натяжении Т0 = 0,11 Н. Скорость движения волны найдем по выражению vэ = lэ / Т, где Т - период колебаний проволоки. Для возбуждения колебаний проволоки использовался вибратор, работающий на частоте тока f = 50 Гц, период колебаний равен Т = 1/ f = 1/ 50 = 0,02 с. Тогда экспериментальная скорость движения волн vэ = 0,15 / 0,02 = 7,5 м/с. Скорость бегущей волны определим из выражения (1): 11,3 м/с. Во время опытов вибрирующий проволочный электрод соприкасался с торцевой поверхностью детали в виде пластины. Светолучевым осциллографом регистрировалось изменение тока и напряжения процесса обработки. Значение времени контакта проволоки и пластины из осциллограммы τэ = 0,28 ×10-5 с. Теоретическое значение времени контакта определяется по выражению τ = d / v. Так как точка контакта двигается вдоль торцевой поверхности пластины (толщина пластины h = 0,1 мм), то 0,8·10-5 с. Заключение. Эксперименты подтвердили правильность выбранной модели взаимодействия вибрирующей проволоки с поверхностью детали. Движущаяся точка контакта создаёт электрический разряд, который приводит к эрозионному разрушению материала детали. Предложенный способ эрозионного разрушения материала полупроводниковых пластин позволит уменьшить количество выбраковываемых кристаллов и тем самым удешевить процесс получения полупроводниковых приборов.

Об авторах

И. Я. Шестаков

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: yakovlevish@mail.ru
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Л. А. Семенова

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

Дополнительные файлы