改造線切割機砂漿噴布系統(tǒng)成功降低砷化鎵襯底翹曲度

李穆朗

(中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300201)

0 引 言

2015年底，中國電子科技集團公司第四十六研究所(以下簡稱中國電科46 所)陸續(xù)突破了4 英寸SI-GaAs 襯底制備的一系列關(guān)鍵技術(shù)，研制的襯底順利通過了中國電科55 所pHEMT 器件驗證。當時研制的產(chǎn)品在單晶性能、表面質(zhì)量上完全達到了進口產(chǎn)品的同等技術(shù)水平，但從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，在翹曲度方面和進口產(chǎn)品還有一定差距。通過近兩年的努力，目前中國電科46 所研制的4 英寸SI-GaAs 襯底的翹曲度大幅改善，通過對比測試與進口產(chǎn)品基本一致。

1 歷史翹曲度差距對比情況

對比30 片中國電科46 所和進口襯底的翹曲度(Warp)，檢驗統(tǒng)計結(jié)果如圖1、2 所示。

圖1 46所襯底翹曲度正態(tài)性檢驗圖Fig.1 Substrate warpage normality test chart of The 46th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation

對兩者進行假設(shè)檢驗后發(fā)現(xiàn)，中國電科46 所產(chǎn)品水平與進口產(chǎn)品也有明顯差距，如表1 所示。

2 原理分析及試驗思路

2.1 多線切割原理

多線切割方式，是以切割線作為載體帶動砂漿中的磨粒進行往復(fù)移動或滾動，實現(xiàn)對目標材料的切削。從磨粒角度分析，整個切削過程可分為3 個狀態(tài)：①磨粒在切割線壓力作用下，以某一棱角切入目標材料中，使目標材料產(chǎn)生塑性形變，這個切入過程稱為切入狀態(tài)；②磨粒切入后，在切割線的所施力的作用下做橫向移動，進而破壞材料原子間的力，這種過程稱其為犁鏵狀態(tài)；③當目標材料施加在磨粒上的阻力大于切割線所施加的橫向力時，磨粒會產(chǎn)生滾動，新的棱角切入目標材料，排除切屑，進入下一次切削過程，稱為滾動狀態(tài)。

真正實現(xiàn)切削過程的主要為切入狀態(tài)和犁鏵狀態(tài)。在切削過程中砂漿作為磨粒的主要來源，由切削液和碳化硅微粉按一定比例混合而成流體，砂漿通過施液管噴布在切割線上，在其表面形成砂漿薄膜，因此砂漿供給必須保證均勻，從而得到均勻的薄膜，實現(xiàn)均勻去除。當砂漿噴布不均勻時，無法在切割線表面形成砂漿薄膜，會產(chǎn)生磨粒不足的現(xiàn)象，導(dǎo)致切割過程無法進入滾動狀態(tài)，使切割線空載滑行，這種狀態(tài)下線與目標材料間沒有磨粒做相對運動，材料的阻力直接施加在線上，會直接導(dǎo)致切割線張力變大，并且處于不可控狀態(tài)。

2.2 實驗思路

U600 多線切割機自帶砂漿噴淋系統(tǒng)為散射噴液，砂漿薄膜只能在切割線被噴射到的位置形成，無法布滿切割線，因此在切削過程中切割線會出現(xiàn)空載滑行的狀態(tài)，導(dǎo)致切削張力增大，進而形成較大的翹曲度。

通過改變噴布方式，使切割線上形成均勻的砂漿薄膜，保證切削過程中對目標材料去除的均勻性，避免切割線空載滑行狀態(tài)的出現(xiàn)，從而降低切割片的翹曲度。

3 實驗材料與設(shè)備

3.1 實驗材料

本文實驗中所用砷化鎵均為VGF 法生長的N型＜100＞晶片，直徑為(100±0.1)μm，來片厚度為(700±5)μm，電阻率≥5 kΩ·cm。

3.2 實驗與測試設(shè)備

3.2.1 實驗設(shè)備

實驗使用的切削設(shè)備為安永U600 型線切割機。

3.2.2 測試設(shè)備

實驗使用的測試設(shè)備為美國康寧公司生產(chǎn)的Autoselect 8020 幾何參數(shù)測試儀，主要進行晶片表面幾何參數(shù)的高精度檢測，并輸出三維表面形貌。

4 實驗過程

4.1 實驗一

利用過濾盒改造噴淋系統(tǒng)，變?yōu)槠俨际絿娏堋?/p>

這種改造對于切割片翹曲度起到了改善作用，但是由于瀑布分布長度短，切割線前后端噴不到，切割機只能切割短棒，造成切割機使用效率低；另外為了控制砂漿流量以降低砂漿對晶片造成的沖擊，降低崩邊的發(fā)生，需要對砂漿噴布系統(tǒng)做整體改造。

4.2 實驗二

①制作2 個新的噴管，安裝在原有的擋板上，將左右兩邊的砂漿引至下方靠近鋼線處，并形成瀑布。

②將部分噴管堵死，從外側(cè)引入砂漿，并在分流處設(shè)計并增加了一套砂漿自動控制裝置。改造結(jié)果如圖3 所示。

圖3 漿噴布系統(tǒng)改造總圖Fig.3 General plan for the transformation of the mortar spray system

5 結(jié)果與分析

圖4、圖5 為系統(tǒng)改造實驗前后翹曲度檢測3D形貌圖對比。

圖4 優(yōu)化前翹曲度3D形貌圖Fig.4 Optimized front warpage 3D topography

圖5 優(yōu)化后翹曲度3D形貌圖Fig.5 3D topography of warpage after optimization

實驗前為明顯的“馬鞍”形，試實驗后則呈“碗”形，“馬鞍”形翹曲完全消失。

如圖6 所示，改造試驗后的產(chǎn)品與進口產(chǎn)品進行正態(tài)性檢驗比對，可以看出，雖然與進口產(chǎn)品還有細微差異，但是差異大多表現(xiàn)在極小值上，中國電科46所的襯底一致性略好。

與進口襯底進行假設(shè)檢驗比對，同樣可得看出，雖然與進口襯底略有差異，但是差異較小，大多表現(xiàn)在個別極小值上，中國電科46 所的襯底一致性占優(yōu)，見表2。

圖6 改造試驗后46所襯底翹曲度正態(tài)性檢驗圖Fig.6 Normality test diagram of warpage of domestic substrate after modification test

表2 改造試驗后與進口產(chǎn)品Warp雙樣本T假設(shè)檢驗Tab.2 Thypothesis test after the modification test of The 46th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation and the imported product Warp double sample

6 結(jié) 論

實驗通過對U600 線切割機砂漿噴布系統(tǒng)進行改造，翹曲度方面得到明顯改善，目前翹曲度水平與進口產(chǎn)品基本一致，且總體一致性更為優(yōu)異。