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: 

1. Описание процесса

2. Обзор и сравнение методов 

3. Выбор оптимального метода

4. Примеры выполнения утонения с помощью лазерной системы 

5. 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. 

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.

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.

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. 

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.

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 :)