Способ резки монокристаллов кремния

 

Изобретение относится к технологии изготовления кремниевых подложек и предназначено для использования на операциях резки монокристаллов кремния на пластины в электронной промышленности. Технический результат - повышение качества отрезанных пластин. В способе резки монокристаллов кремния предлагается подавать в зону резания СОЖ симметрично относительно точки касания монокристалла кромкой отрезного круга в направлении под углом, равным 70 -80°, к касательной в точке соприкосновения струи СОЖ с кромкой круга из источников СОЖ с диаметром выходного отверстия d = 1,5 - 3 мм, расположенных на расстоянии (2,5 - 4)d от точки соприкосновения струи с кромкой и на расстоянии (1,1 - 1,4)D от оси источников СОЖ до точки касания монокристаллов кромкой круга в начале резания, где D - диаметр монокристалла. Расход СОЖ принимают равным количеству жидкости, транспортируемой в единицу времени в межзеренном пространстве режущей кромки круга: где Q - расход СОЖ, м³/мин; b - ширина режущей кромки отрезного круга, м; x_З - средневероятный размер зерен круга, м; n - частота вращения отрезного круга, м; h_крЗ - критическая глубина заделки зерен в связку круга, м; N_S - число зерен на поверхности круга, шт/м¹; N₁ - количество зерен в единице объема алмазного слоя отрезного круга, шт/м³. 1 табл.

Изобретение относится к технологии изготовления кремниевых подложек и может быть использовано на операциях резки монокристаллов кремния на пластины в электронной промышленности.

Известен способ резки полупроводниковых слитков на пластины (Черняев В. Н. Технология производства интегральных микросхем и микропроцессоров: Учебник для вузов. - М. : Радио и связь, 1987. - С. 59-64), в котором слиток перед разрезкой ориентируют, закрепляют на станке и разрезают на пластины вращающимся отрезным кругом, подавая в процессе резания смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ) в зону обработки.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, относится то, что в известном способе не регламентируется расход СОЖ, что негативно сказывается на качестве отрезаемых пластин.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является способ резки монокристаллов кремния (Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. В 10 кн.: Учеб. пособие для ПТУ. Кн. 4. Механическая и химическая обработка /С.Н.Никифорова- Денисова. - М. : Высш. шк., 1989. - С. 12-22), в котором осуществляется приклейка монокристалла к оснастке, установка его на отрезном станке и разрезание монокристалла на пластины алмазным кругом с внутренней режущей кромкой при подаче СОЖ в зону обработки, принятый за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что в известном способе не регламентируются месторасположение источника СОЖ по отношению к разрезаемому слитку и режущей кромке отрезного круга, направление струи СОЖ и диаметр выходного отверстия источника, из которого она вытекает, а выбор расхода СОЖ происходит без учета характеристик отрезного круга (геометрических параметров, зернистости и т.п.) и элементов режима резки, что не позволяет достичь высокого качества отрезанных пластин.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Наблюдающаяся в последнее время тенденция к уменьшению размеров элементов топологии, формируемых на кремниевых пластинах, приводит к ужесточению требований, предъявляемых к пластинам, полученным на операции разрезания. Одним из путей повышения качества отрезанных пластин является усиление эффективности действия в процессе резания СОЖ, что может быть обеспечено за счет оптимизации расхода СОЖ, подаваемой на режущую кромку отрезного круга.

Технический результат - повышение качества отрезанных пластин.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что известный способ резки монокристаллов кремния включает приклейку монокристалла к оснастке, установку его на отрезном станке и разрезание монокристалла на пластины алмазным кругом с внутренней режущей кромкой при подаче СОЖ.

Особенность заключается в том, что подачу СОЖ осуществляют симметрично относительно точки касания монокристалла кромкой отрезного круга в направлении под углом, равным 70-80^o, к касательной в точке соприкосновения струи СОЖ с кромкой круга из источников СОЖ с диаметром выходного отверстия d = 1,5-3 мм, расположенных на расстоянии (2,5 - 4)d от точки соприкосновения струи с кромкой и на расстоянии (1,1 - 1,4) DOT оси источников СОЖ до точки касания монокристалла кромкой круга в начале резания, где D - диаметр монокристалла.

Как показали экспериментальные исследования аэрогидродинамической обстановки в зоне резания кругом с внутренней режущей кромкой типоразмера 422 х 152 х 0,32 мм (ТУ 2-037-370-82), проведенные на отрезном станке "Алмаз-6М", оснащенном трубкой Пито, датчиком давления ВДД и стробоскопом, СОЖ следует подавать симметрично относительно точки касания монокристалла кромкой отрезного круга. В этом случае жидкость равномерно распределяется по всей режущей кромке и плоскости круга, что создает благоприятные условия для охлаждения и очистки режущей кромки от продуктов обработки.

При этом, если СОЖ подается под углом менее 70^o, то струя жидкости не может растечься в виде равномерной пленки по плоскости круга, а концентрированно ударяется в зону контакта круга с заготовкой и бесцельно разбрызгивается. Если же угол подачи струи превышает 80^o, то воздушные потоки, генерируемые отрезным кругом, отклоняют часть струи от плоскости круга и дробят ее на отдельные фрагменты (капли), в результате чего ухудшаются эффективный отвод тепла и очистка режущей кромки.

Кроме того, если в процессе резания диаметр выходного отверстия форсунки был менее 1,5 мм, то наблюдалось чрезмерное разбрызгивание СОЖ из-за высокой скорости и отражения струи СОЖ от режущей кромки, что также негативно оказывало влияние на теплоотвод в зоне резания. При увеличении диаметра источника СОЖ более 3 мм для обеспечения удовлетворительного охлаждающего и очищающего действия жидкости необходимо значительно увеличивать давление и расход СОЖ, что приводит к существенному росту затрат на оборудование для подачи СОЖ и является экономически нецелесообразным.

При этом, если торец источника СОЖ был расположен от режущей кромки круга на расстоянии менее 2,5d, где d - диаметр выходного отверстия форсунки, то струя СОЖ отражалась от режущей кромки, а сама жидкость не успевала равномерно распределиться по плоскости круга, что уменьшало эффективность теплоотвода режущей кромки. При удалении торца форсунки от кромки круга на расстояние более 4d ухудшаются условия для очистки режущей кромки от продуктов обработки из-за уменьшения кинетической энергии струи СОЖ.

Если разрезание монокристалла кремния диаметром D проводили при расположении источников СОЖ на расстоянии менее 1,1 DOT точки касания заготовки кромкой круга в начале резания, то жидкость не успевала равномерно распределиться по плоскости круга, расклинивала отрезаемую пластину, что приводило к увеличению дефектов ее макро- и микрогеометрии. При расположении форсунок на расстоянии более 1,4 D от места врезания центробежные силы отбрасывали большую часть СОЖ к периферии барабана, в результате чего снижалась эффективность отвода тепла из зоны резания.

Другая особенность заключается в том, что СОЖ подают с расходом, равным количеству жидкости, транспортируемому в единицу времени в межзеренном пространстве режущей кромки круга где Q - расход СОЖ, м³/мин; b - ширина режущей кромки отрезного круга, м; x₃ - средневероятный размер зерен круга, м; n - частота вращения отрезного круга, об/мин; d_в -диаметр режущей кромки круга, м; h_крз - критическая глубина заделки зерен в связку круга, м; N_s - число зерен на поверхности круга, шт/м²; N₁ - количество зерен в единице объема алмазоносного слоя отрезного круга, шт/м³.

Так как алмазный отрезной круг с внутренней режущей кромкой осуществляет разрезание монокристалла не всей своей плоскостью, а только режущей кромкой, то для эффективной резки, а значит и получения пластин высокого качества, необходимо поддерживать режущую кромку в работоспособном состоянии, то есть очищать ее от продуктов обработки и охлаждать. Для этого достаточно подавать на круг СОЖ с расходом, равным количеству жидкости, транспортируемому в единицу времени в межзеренном пространстве режущей кромки и рассчитанным по зависимости, приведенной в формуле изобретения. При подаче на круг СОЖ с расходом, большим рационального, избыток жидкости будет оказывать на отрезаемую пластину расклинивающее действие, вызывая искажение ее геометрической формы, а значит и ухудшение качества. Если же на режущую кромку круга подавать СОЖ с расходом, меньшим рационального, то эффективность охлаждения алмазных зерен уменьшится; образующиеся при разрезании отходы не будут полностью эвакуироваться из зоны резания и режущая кромка засалится, что приведет к снижению ее режущей способности и, как следствие, ухудшению качества отрезаемых пластин.

Для вывода зависимости, приведенной в формуле изобретения, представим режущую кромку отрезного круга в виде двух кольцевых алмазоносных слоев, расположенных по обе стороны корпуса круга.

Определим объем СОЖ , прокачиваемой одним алмазоносным слоем режущей кромки через зону резания за один оборот круга = S_п · h_п, (1) где S_п - площадь пленки СОЖ, м²; h_п - толщина пленки СОЖ, м.

Соответственно, для всей режущей кромки объем прокачиваемой СОЖ V _ж= 2 = 2S_п · h_п. (2) Площадь пленки СОЖ можно рассчитать по формуле (3)
где d_в - диаметр внутренней поверхности режущей кромки круга, м; d_н - диаметр наружной поверхности режущей кромки, м: d_н = d_в + 2b, где b - ширина алмазоносного кольца (режущей кромки), м.

Тогда
(4)
По данным публикации - Щипанов В.В., Щипанов А.В. Теплофизическая схема шлифования с применением СОЖ //Смазочно-охлаждающие средства в процессах обработки. - Ульяновск: УлПИ, 1992. -С.11-15 толщина пленки СОЖ
h_п= (1-ε_крз)·x_з, (5)
где ε_крз - - относительная критическая глубина заделки абразивных зерен в связку

где h_крз - критическая глубина заделки зерна в связку круга, м; X_з - средневероятный размер зерна, м.

После подстановки (4) и (5) в (2) получим
(6)
Введем в (6) коэффициент К_v, учитывающий объем, занимаемый алмазными зернами, выступающими из связки
(7)
Коэффициент K_v можно определить по формуле
K_V = V_з/V_ж (8)
где V_з - объем, занимаемый зернами, выступающими из связки, м³

или
V_з= 2π·V_1з·b·ε_крз·N_s(d_в+b), (9)
где V_1з - объем единичного зерна, м³.

В случае представления зерна в виде эллипсоида вращения согласно книге "Работоспособность алмазных кругов"/ М.Ф.Семко, М.Д.Узунян, Ю.А.Сизый, М.С. Пивоваров. -Киев: Техника, 1983. - 95 с.

V_1з= 2πa³_э, (10)
где а_э - малая ось эллипсоида вращения, м.

Из той же книги известно, что
(11)
где К_% - концентрация алмазных зерен,%; N₁ - количество зерен в единице объема, шт/мм³.

Тогда, подставив (11) в (10), получим
(12)
Окончательно, для 100%-ной концентрации
V_1з = 1/4N₁ (13)
Число зерен на поверхности круга N_s можно найти в табл. 9 упомянутой выше книги "Работоспособность алмазных кругов".

Подставив (13), (9) и (6) в (8), получим выражение для определения коэффициента К_V
(14)
Умножив объем СОЖ V_ж^v (7), прокачиваемой за один оборот круга, на частоту его вращения n, окончательно получим:

Дисперсный анализ зависимости (15), проведенный согласно книге Дрейпер H., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ: В 2-х кн. Кн. 1. Пер. с англ. - 2-е изд. , перераб и доп. - М.: Финансы и статистика, 1986. - С. 38-63, показал, что расчетное значение критерия Фишера F_p = 1,13 меньше табличного F_T = 4,46 (при наличии параллельных опытов), т.е. неадекватность незначима. Поэтому модель (15) адекватно описывает процесс транспортирования СОЖ межзеренным пространством режущей кромки.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил установить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата.

В частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
- дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам, для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такого дополнения;
- замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какой-либо части (элемента, действия) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности, сокращение продолжительности процесса и пр.);
- увеличение количества однотипных элементов, действий для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов, действий;
- выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;
- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, получены в результате проведения экспериментальных исследований по разрезанию слитков монокристаллического кремния марки ЭКЭС-0,01 диаметром D = 76 мм на пластины толщиной 0,51 мм.

Разрезание осуществляли на отрезном станке "Алмаз-6М", предварительно сориентировав и приклеив кремниевый слиток к графитовой подложке и оправке специальным клеящим составом на основе эпоксидной смолы, микропорошка М40 и шеллака. Оправку со слитком закрепляли на держателе отрезного станка и разрезали монокристалл на пластины алмазным отрезным кругом с внутренней режущей кромкой типоразмера 422 х 152 х 0,32 мм при окружной скорости круга V_к = 24 м/с (n = 3000 об/мин) и врезной подаче V_s = 40 мм/мин. В зону обработки подавали СОЖ. В качестве СОЖ использовали 0,5%-ный водный раствор продукта Аквол-11. СОЖ подавали из форсунок с диаметром выходного отверстия d = 2 мм, расположенных симметрично относительно точки касания монокристалла режущей кромкой отрезного круга под углом 75^o к касательной в точке соприкосновения струи СОЖ с кромкой круга. При этом форсунки находились на расстоянии (2,5 - 4)d, то есть (5 - 8) мм, от режущей кромки и на (1,1 - 1,4)D, то есть (84 - 106) мм, от точки касания слитка кромкой круга в начале резания. Расход СОЖ изменяли от 0,15 до 3,5 дм³/мин. Оптимальный расход СОЖ был определен по зависимости, приведенной в формуле изобретения, при следующих параметрах: n = 3000 об/мин; Х_з = (50 + 40)/2 = 45мкм; d_в= 152 мм; b = 5 мм; h_крз = 27 мкм; N_s = 102,11 шт/мм²; N₁ = 3495 шт/мм³.

Результаты исследований представлены в таблице.

Из таблицы видно, что наилучшие характеристики макрогеометрии имеют пластины, отрезанные с расходом СОЖ, определенным согласно заявляемому изобретению. При этом отсутствует засаливание режущей кромки круга и пластины сохраняют свою целостность.

При разрезании слитка с расходом, меньшим оптимального, наблюдалось засаливание круга. В отрезаемой пластине развивались трещины, направленные по длине дуги контакта круга с заготовкой. Это связано с тем, что малое количество СОЖ не успевало вымывать шлам из зоны резания. Частички кремния забивали межзеренное пространство и утолщали режущую кромку. Утолщенная режущая кромка расклинивала нежесткую пластину, вызывая в ней рост трещин по длине дуги контакта и, как следствие, раскалывание пластины на отдельные фрагменты.

При подаче в зону резания СОЖ с расходом, превышающим оптимальный, избыток жидкости, не разместившийся в межзеренном пространстве режущей кромки, растекается в зазоре между кругом и нежесткой пластиной, оказывая на последнюю расклинивающее воздействие и способствуя появлению дополнительных растягивающих напряжений, вызывающих искажение геометрической формы пластины.

Следовательно, для получения пластин с наименьшими прогибом и отклонением от параллельности при сохранении возможности эвакуации шлама из зоны резания необходимо подавать СОЖ на отрезной круг с расходом, рассчитанным по заявляемой зависимости.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения (способа) следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно на операциях резки монокристаллов кремния на пластины в электронной промышленности;
- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Способ резки монокристаллов кремния, включающий приклейку монокристалла к оснастке, установку его на отрезном станке и разрезание монокристалла на пластины алмазным кругом с внутренней режущей кромкой при подаче СОЖ, отличающийся тем, что подачу СОЖ осуществляют симметрично относительно точки касания монокристалла кромкой отрезного круга в направлении под углом, равным 70 - 80^o, к касательной в точке соприкосновения струи СОЖ с кромкой круга из источников СОЖ с диаметром выходного отверстия d = 1,5 - 3 мм, расположенных на расстоянии (2,5 - 4)d от точки соприкосновения струи с кромкой и на расстоянии (1,1 - 1,4)D от оси источников СОЖ до точки касания монокристалла кромкой круга в начале резания, где D - диаметр монокристалла, при этом СОЖ подают с расходом, равным количеству жидкости, транспортируемой в единицу времени в межзеренном пространстве режущей кромки круга,

где Q - расход СОЖ, м³/мин;
b - ширина режущей кромки отрезного круга, м;
x_з - средневероятный размер зерен круга, м;
n - частота вращения отрезного круга, об/мин;
d_b - диаметр режущей кромки круга, м;
h_крз - критическая глубина заделки зерен в связку круга, м;
N_S - число зерен на поверхности круга, шт/м²;
N₁ - количество зерен в единице объема алмазоносного слоя отрезного круга, шт/м³.

РИСУНКИ

Рисунок 1