Способ двусторонней обработки пластин из полупроводников

СПОСОБ ДВУСТОРОННЕЙ ОБРАБОТКИ ПЛАСТИН ИЗ ПОЛУПРОВОДНИКОВ , пpи котоpом pазмещают в отвеpстиях сепаpатоpа обpабатываемые пластины и вкладыши из пластичного матеpиала, толщина котоpых больше высоты пластин, пpижимают веpхним пpитиpом вкладыши и пластины к нижнему и сообщают им относительное пеpемещение, отличающийся тем, что, с целью повышения качества и точности обpаботки, усилие пpижима выбиpают из условия обеспечения съема матеpиала вкладыша до касания веpхним пpитиpом обpабатываемых пластин - 0,15 - 1,5 мкм/с, а после касания - 0,1 - 1,5 мкм/с, но не более скоpости съема матеpиала вкладыша.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при двустороннем шлифовании пластин кремния, арсенида галлия и других материалов.
Известен способ двустороннего шлифования пластин, в котором предусматривается вращение верхнего и нижнего притира в противоположных направлениях и с различной скоростью. Пластины располагают "горбом" на профиле пластины в сторону притира, который вращается с большой скоростью. Такая обработка позволяет эффективно удалить прогиб пластин. Однако основными условиями качественного выполнения операции являются необходимость комплектования пластин в группы с допуском толщины в 10 мкм, определение формы прогиба для однозначного расположения пластин относительно притиров, постепенное наращивание давления при обработке для снятия экстремальных нагрузок в начальный момент обработки.
Известен способ двустороннего шлифования пластин, в котором используют операторы с планетарным перемещением между притирами, в которых размещают обрабатываемые детали. Для правки притиров сепараторы выполняют составными из двух подпружиненных частей. Применение способа возможно только при обработке достаточно толстых деталей и крайне затруднено при шлифовке полупроводниковых пластин толщиной 0,4-0,6 мм.
Прототипом изобретения является способ двусторонней обработки пластин из полупроводников с использованием вклады- шей разового пользования из пластинчатого материала. Вкладыш вместе с пластинами размещают в сепараторах на нижнем притире, причем толщина вкладышей должна на 2-15% превышать толщину исходных пластин. В каждом сепараторе размещают не менее трех вкладышей.
При двустороннем шлифовании пластин с вкладышами подача верхнего притира на пластины определяется совокупностью параметров вкладышей: твердостью материала, площадью и давлением на пластины. Поскольку вкладыши превышают толщину исходных пластин, то в начальный момент устанавливается вполне определенная скорость съема вкладышей. При достаточно высокой скорости съема вкладышей в момент контакта верхнего притира с пластинами происходит резкое снижение скорости шлифования, подобное удару, что приводит к повреждению пластин и повышению вероятности их поломки. Кроме того, при таких скоростях съема вкладышей происходит быстрая деформация пластин, имеющих прогиб, что не позволяет уменьшить прогиб пластин при обработке. При малых скоростях съема вкладышей ухудшается геометрия обрабатываемых пластин. Искусственное торможение скорости съема пластин за счет вкладышей приводит к "щадящим" режимам шлифования, т. е. к выхаживанию поверхности пластин. В результате такой обработки пластины находятся в свободном состоянии, их края сошлифовываются за счет возможности колебательных движений в отверстиях движущихся сепараторов. Пластины имеют значительный разброс по толщине и форму чечевицы. Размещение в каждом из сепараторов даже трех вкладышей приводит к достаточно большой их общей площади. Размеры вкладышей определяются также тем, что в верхнем притире выполнены технологические отверстия для подачи абразивной суспензии. Поэтому диаметр вкладышей должен превышать их размер. При давлении 0,12-0,15 кГ/см² и общей площади вкладышей из дюралюмина, равной 67 см², скорость съема вкладышей очень мала (менее 0,6 мкм/мин). В результате обработки пластин с этой скоростью съема не удается достичь высокой геометрии пластин арсенида галлия (разброс толщины по пластине равен 30-40 мкм).
Размещение в каждом сепараторе по три вкладыша уменьшает количество одновременно обрабатываемых пластин. С другой стороны, при работе на станках, у которых давление при обработке создается только весом верхнего притира, скорость съема вкладышей минимальна, что не обеспечивает высокой геометрии и качества поверхности по рискам, царапинам. Кроме того, необходимо подбирать такие режимы обработки пластин с вкладышами, чтобы можно эффективно уменьшать прогиб (изгиб) пластин, вносимых при резке монокристаллов.
Таким образом, проведение двустороннего шлифования пластин по известному способу не обеспечивает получение высокого качества пластин. Выход годных на операции соответствует для пластин арсенида галлия 70-80% .
Процесс двустороннего шлифования при установке в каждом сепараторе трех вкладышей не технологичен, так как из-за вкладышей полезная площадь сепараторов под отверстия для пластин минимальна. Например, при работе на станке СДШ-100, на котором сепараторы имеют диаметр 140 мм, при размещении двух пластин диаметром 60 мм в каждом сепараторе, вообще нельзя разместить три вкладыша даже диаметром 20 мм.
Цель изобретения - повышение качества и точности обработки.
При обработке пластин важен выбор скорости съема вкладышей. Выбор скорости съема вкладышей, т. е. скорости подачи верхнего притира на пластины, связан со следующим обстоятельствами. В начальный момент обработки происходит шлифование выступающих над пластинами вкладышей. Скорость съема вкладышей, определяющая скорость подачи притира на пластины, должна иметь вполне определенную величину, а именно: 0,15-1,50 мкм/с. При скорости подачи менее 0,15 мкм/с (как было установлено экспериментально) пластины имеют разброс толщины до 40 мкм и более, причем наибольшая толщина у пластин наблюдается в центральной части (пластины имеют форму чечевицы). При скорости съема вкладышей более 1,50 мкм/с у обработанных пластин прогиб практически не уменьшается из-за быстрого (в течение 1-2 мин вкладыши сошлифовываются до толщины установленных в сепараторы пластин) контакта притира с пластинами и их распрямления под нагрузкой. Большая скорость съема вкладышей приводит к резкому торможению притира при контакте с пластинами. Такое изменение скорости одновременно повышает вероятность повреждения пластин, способствует появлению на поверхности рисок и царапин, что снижает качество пластин, а следовательно, приводит к уменьшению выхода годных на операции.
Выбор оптимальной скорости съема вкладышей позволяет уменьшить количество размещаемых в сепараторах вкладышей. Возможно уменьшение количества вкладышей до трех на притире, что позволяет увеличить количество одновременно обрабатываемых пластин и снизить затраты на изготовление вкладышей.
В результате экспериментальной проверки удалось установить два пути подбора скорости съема пластин и вкладышей:
- в сепараторах необходимо размещать такое количество пластин (минимально одну), чтобы общая скорость съема вкладышей и пластин (была не менее 0,10 мкм/с;
- при использовании станка с регулированием усилия прижима притира загружают в сепараторы максимально возможное количество пластин и устанавливают такое давление, чтобы достичь скорости съема вкладышей и пластин 0,1 мкм/c - 1,5 мкм/с но не более скорости съема вкладышей.
Если после касания верхнего притира пластин скорость съема превышает скорости съема вкладышей, то ухудшаются условия процесса шлифовки пластин с элементами выхаживания поверхности. Это сопровождается появлением рисок и царапин пластинах. Кроме того, резкий скачок скорости съема может привести к поломке пластин.
Уменьшение скорости съема пластин и вкладышей приводит к возрастанию брака по рискам и царапинам на поверхности, а также к увеличению разброса толщины по пластине. Достижение высокого качества пластин объясняется созданием условий обработки пластин в условиях "выхаживания" поверхности с минимальными механическими повреждениями.
Эффективное уменьшение прогиба пластин достигается выбором и определением нижнего предела толщины вкладышей так, чтобы в начальный момент контакта верхнего притира с вкладышами не происходило деформации пластин. Для этого толщина вкладышей должна быть больше на 5% суммы толщины пластин и величины максимального прогиба пластин. Если после резки кремниевых монокристаллов диаметром 76 мм на пластины прогиб не должен превышать 30 мкм, то для отрезанных пластин толщиной 550 мкм толщина вкладышей должна быть не менее 610 мкм, что в 1,19 раз больше номинала исходных пластин.
Таким образом, выбор скорости съема вкладышей в пределах 0,15-1,5 мкм/с позволяет повысить качество и точность обработки пластин путем управляемого уменьшения прогиба пластин, сохранив высокую производительность обработки. Регламентирование скорости съема пластин и вкладышей после касания верхнего притира пластин (0,1-1,5 мкм/с) обеспечивает достаточно высокой выход годных пластин по внешнему виду и уменьшает вероятность поломки пластин.
Примеры реализации способа.
П р и м е р 1. Проводят двустороннее шлифование пластин арсенида галлия марки АГЧП-2(100) диаметром 40 мм толщиной 660 20 мкм. Для обработки пластин применяют станок, у которого верхний и нижний притиры выполнены из стеклянных дисков диаметром 500 мм. Верхний притир имеет попутное с нижним вращение с частотой 45-50 об/мин. Используют абразивный состав, содержащий 400 г микропорошка КЗМ10, 150 мл глицерина и 1 л воды. При обработке применяют три стальных сепаратора с девятью отверстиями 41 мм, расположенными по окружности с возмож- ностью частичного выхода отверстий за пределы поля притиров. В верхнем притире выполнены технологические отверстия 18 мм для подачи абразивной суспензии. Сепараторы отшлифованы до толщины 500 10 мкм и являются стопорами процесса шлифовки.
Перед обработкой оценивают одним из известных методов прогиб пластин. Максимальный прогиб в партии пластин, поступивших на обработку, составляет 20 мкм. Толщина вкладышей должна быть не менее t = 1,05(680+20) = 735 мкм.
Для выбора скорости съема вкладышей проводят пробное шлифование вкладышей 40 мм, располагая на притире по одному вкладышу в каждом сепараторе. Путем пробного шлифования определяют скорость съема вкладышей (см. табл. 1). Общая площадь трех вкладышей при этом равна
S_вкл = 3 = 37,6 см².
Скорость съема вкладышей оценивают путем фиксирования времени пробного шлифования и измерения толщины вкладышей до и после обработки. По разности толщины, деленной на продолжительность пробного шлифования, вычисляют скорость съема (табл. 1).
Для обработки пластин арсенида галлия используют вкладыши из стеклотекстолита толщиной 800 мкм. Создавая удельное давление на вкладыши 0,26 кГс/см², скорость съема будет равна С_в = 1,2 мкм/с, тогда продолжительность обработки вкладышей до контакта верхнего притира с пластинами составляет ₁1 = (800-680)/1,2 = 100 с.
Пластины обрабатывают в следующем порядке. Смачивают нижний притир абразивной суспензией и устанавливают сепараторы. В одном из отверстий каждого сепаратора размещают вкладыш из стеклотекстолита толщиной 800 мкм, в остальных - 24 пластины арсенида галлия толщиной 660 20 мкм, притирая их к притиру. Проводят пробную обработку пластин в течение ₀= 200 с, не изменяя величину усилия прижима верхнего притира 0,26 кГс/см². Оценивают толщину обработанных пластин микронным индикатором. Толщина пластин равна 600 мкм. Таким образом, скорость съема вкладышей и пластин на втором этапе соответствует величине С_п = (680-600)/( ₀- ₁) = 80/(200-100) = 0,8 мкм/с, что обеспечивает качественную шлифовку с минимальными дефектами на поверхности (по рискам, царапинам). Исходя из определенных скоростей съема С_в и С_п, корректируют время обработки партии пластин. Оно равно
= (800-680)/1,2+(680-500)/0,8 = 325 c.
В указанных режимах обрабатывают все пластины партии. Партия обработанных пластин по выбранным регламентам имеет следующие характеристики: толщина пластин, мкм. . . 510 10
разброс толщины по пластине, мкм. . . . 10 прогиб, мм. . . . 12
выход годных по рис-
кам, царапинам (це- левые пластины), % . . . 90
П р и м е р 2. Проводят двустороннее шлифование пластин кремния толщиной 530 20 мкм диаметром 60 мм марки ЭКЭС-7,5(100). Пластины нарезаны на станке "Алмаз-6М". Максимальный прогиб у пластин 30 мкм. Пластины обрабатывают на станке модели СШД-100, используя абразивный состав примера 1. Для каждого цикла обработки в семь сепараторов на нижнем притире размещают 14 пластин кремния и семь вкладышей из стеклотекстолита диаметром 30 мм толщиной 685 мкм. Отношение толщины вкладышей к толщине пластин равно 685/550 = 1,25, что превышает верхний предел отношений в способе-прототипе. При этом толщина вкладышей превышает на 18% сумму толщины исходных пластин и прогиб. Верхний притир станка имеет разгрузку и возможность создания различного давления.
Путем пробного шлифования семи вкладышей устанавливают скорость съема вкладышей С_в = 1,1 мкм/с. Продолжительность шлифования вкладышей до контакта верхнего притира с пластинами составит ₁ = = (685-550)/1,1 = 123 с.
Пробным шлифованием пластин с вкладышами устанавливают скорость съема пластин и вкладышей обработки С_п = 0,4 мкм/с, что превышает установленный нижний предел скорости съема.
Пластины кремния шлифуют до толщины 420 9 мкм, при этом процесс шлифовки продолжают в течение
= ₁+(550-420)/0,4 = 448 c.
В результате обработки пластин выход годных по рискам, царапинам, бою на операции 92% , разбростолщины по пластине не превышал 6 мкм, а прогиб пластин уменьшился до 15 мкм.
Примеры 3-10 выполняют при шлифовке пластин арсенида галлия 40 мм на том же оборудовании и в тех же условиях, что приведены в примере 1. На рабочем столе размещают вкладыши диаметром 40 мм из стеклотекстолита (примеры 3, 4, 5, 9) или из дюралюмина (примеры 6-8, 10) и пластины арсенида галлия толщиной 660 20 мкм. Прогиб пластин не более 20 мкм. Отличные от примера 1 режимы и результаты обработки сведены в табл. 2.
Пример 10 соответствует способу-прототипу, в котором использованы отверстия в сепараторах для размещения трех вкладышей в каждом и пластин. Из этого примера следует, что при толщине вкладышей меньше заявленной прогиб пластин при обработке не уменьшается, а выход годных из-за малой скорости съема пластин и вкладышей на втором этапе (при постоянном давлении притира) приводит к появлению рисок и царапин на поверхности пластин. Примеры 5-9 иллюстрируют режимы обработки, выходящие за пределы заявленных признаков.
(56) Патент Японии N 57-15667, кл. B 24 B 37/04, 1982.
Автоpское свидетельство СССP N 372882, кл. B 24 B 37/04, 1973.
Автоpское свидетельство СССP N 1264772, кл. H 01 L 21/304, 1985.
Использование: при двустороннем шлифовании пластин кремния, арсенида галлия и других материалов. Сущность изобретения: размещают в отверстиях сепаратора обрабатываемые пластины и вкладыши из пластичного материала. Толщина вкладыша больше высоты пластин. Прижимают верхним притиром только вкладыши, а затем вкладыши и пластины к нижнему и сообщают им относительное перемещение. Усилие прижима выбирают из условия обеспечения съема материала вкладыша до касания верхним притиром обрабатываемых пластин 0,15 - 1,5 мкм/с. После касания верхнего притира пластин - 0,1 - 1,5 мкм/с, но не более скорости съема материала при касании только вкладыша. 2 табл. , 10 пр.