CC BY
163
УДК 621.937
Иванов Владимир Игоревич
ФГБОУ ВПО «Московский Государственный Университет Приборостроения и Информатики»
Россия, Москва1 Аспирант E-Mail: [email protected]
Методы резки кремниевых приборных пластин на чипы в производстве органических микродисплеев
Аннотация. Требования к высокой точности и улучшению качества обработки поверхности и спрос на производство микродисплеев на органических светоизлучающих диодах (ОСИД) с низким уровнем потребительской стоимости подразумевает необходимость рассмотрения эффективных методов резки кремниевых приборных пластин. В данной работе рассмотрены высокоэффективные технологические процессы прецизионной сквозной резки кремниевых приборных пластин в производстве микродисплеев на органических светоизлучающих диодах. Эти техпроцессы являются контролируемыми и имеют менее агрессивные режимы в отличие от других механических и лазерных методов, таких как механическое скрайбирование, лазерное скрайбирование и лазерная резка. В работе используются установка дисковой резки ADT-7100 ProVectus (Израиль) и лазерная установка РТ-350 (Россия), которая базируется на применении метода лазерного управляемого термораскалывания. Рассматриваются различные типы дисковых лезвий и режимы данных установок для разрезания полупроводниковых приборных пластин на кристаллы. Приводятся и сравниваются данные по оценке качества поверхностей чипов после лазерного управляемого термораскалывания и дисковой резки, а именно наличие и размер сколов, а также шероховатость поверхностей. В работе автором впервые обосновывается и экспериментально доказывается возможность и эффективность применения сквозной дисковой резки и метода лазерного управляемого термораскалывания в ОСИД технологии.
Ключевые слова: дисковая резка; лазерное управляемое термораскалывание; органические светоизлучающие диоды (ОСИД); ОСИД микродисплеи; кремний; кремниевые подложки; разрезание полупроводниковых приборных пластин на кристаллы; оценка качества поверхности; сколы; шероховатость поверхности.
Идентификационный номер статьи в журнале 87ТУЫ414
107076, г. Москва, ул. Стромынка, д.20
Введение
После открытия электролюминесценции в органических материалах в начале 1950-х гг. и развития разработок проводящих органических полимеров с 2000 г. началось создание органических светоизлучающих диодов (Organic Light Emission Diode - OLED или ОСИД). Для их создания используются тонкопленочные многослойные структуры, состоящие из слоев нескольких органических полимеров, имеющих разные назначения, такие как - эмиссия, инжекция и транспортировка дырок и электронов, изоляция, разделение [1]. Наряду с этим возникла и интенсивно развивается новая область электронной техники, связанная с миниатюрными устройствами отображения информации - микродисплеями. Технология создания средств отображения информации на основе ОСИД является новейшей технологией, технологией, идущей на смену существующим сегодня. В настоящее время органические светодиоды изготавливаются на основе двух типов материалов: низкомолекулярные органические материалы и полимерные материалы. Наиболее отработанной является технология изготовления органических светодиодов и изделий на их основе с использованием низкомолекулярных органических материалов [2]. Технология ОСИД даёт преимущество в получении чёткого и контрастного изображения 1000:1 и более, ОСИД микродисплеи имеют меньшую потребляемую мощность, угол обзора до 170°, лучшее качество цветопередачи, а также лучшие масса-габаритные показатели: размер области отображения 12,78 мм х 9 мм; габаритные размеры 19,78 мм х 15,2 мм х 5 мм (рис. 1).
а) б)
Рис. 1. Фотографии микродисплеев (а) и размеры чипа (б) Составлено автором
В производстве микродисплеев преобладающими стандартами толщин стали 725 мкм для односторонне полированных монокристаллических кремниевых пластин р-типа ориентации <100> и 700 мкм для защитного стекла марки Corning Eagle XG. В последнее время широко применяют технологию корпусирования на уровне пластины - сэндвич-технологию, поскольку в наиболее эффективные процессы резки приборных пластин на чипы интегрирована вода. На операцию резки поступают кремниевые подложки 0 200 мм с нанесенными ОСИД структурами и приклеенной при помощи акрилового адгезива, выполняющего также функцию дополнительного герметизирующего слоя, защитной стеклянной крышкой 0 200 мм, так называемые «сэндвичи» (рис.2).
Рис. 2. Основные расстояния и размеры, учитываемые при резке «сэндвичей»
Составлено автором
«Сэндвич» является по сути микродисплеями в сборе уже с защитным стеклом общей толщиной 1,425 мм, что ужесточает требования к высокой точности и улучшению качества обработки поверхности кремниевых подложек с ОСИД структурами, ввиду их высокой себестоимости. Механическая прочность кремния и кремниевых приборов может вызывать проблемы, как во время изготовления устройства, так и при его работе. В процессе изготовления или работы, если применяются растягивающие напряжения, превышающие вероятностный предел прочности кремния на растяжение (ограниченный наличием уже существующих дефектов), то произойдет разрушение. К качеству обработки стеклянных крышек требования ниже, их основная функция защита ОСИД структур от воздействия окружающей среды.
Операция резки стеклянных и кремниевых подложек в технологическом процессе изготовления ОСИД дисплеев достаточно хорошо изучена, исходя из технологии изготовления ЖК-дисплеев. Однако при разработке технологического процесса резки приборных пластин для ОСИД дисплеев необходимо учитывать специфику ОСИД структур. Структуры ОСИД начинают деградировать при длительном воздействии температуры свыше +90 °С (а кремний обладает колоссальной теплопроводностью), а также при воздействии кислорода и воды, они чувствительны к вибрациям, поскольку толщина некоторых органических слоев всего несколько ангстрем, а защитные слои оксида алюминия напротив имеют толщины более 700 нанометров и, как правило, имеют собственные локальные напряжения, обусловленные дефектами, на которых тоже может сказаться вибрация (рис. 3).
Рис. 3. Виды деградации ОСИД структур: воздействие температур свыше 100 °С (а); воздействие кислорода и воды (б); собственные напряжения и вибрации (в)
Составлено автором
Необходимость резки возникает на следующих операциях:
а) Резка защитного стекла для вскрытия контактных площадок.
б) Резка «сэндвича» кремний-стекло на дисплейные модули.
Основные технологические требования, предъявляемые оборудованию и «сэндвичам» при резке подложек с ОСИД:
• по возможности, стеклянная крышка и кремниевая подложка «сэндвича» должны быть одинаковой толщины;
• крышка и подложка должны быть близки по физическим характеристикам;
• установка должна обеспечить резку подложек 0 200 мм;
• ширина реза с учетом сколов должна быть не более 300 мкм;
• установка должна обеспечивать ровные поверхности реза, не требующие дополнительной механической обработки;
• вибрации, возникающие в зоне резки, не должны ухудшать адгезию компаунда к крышке и подложке;
• точность позиционирования линии реза не должна превышать ± 10 мкм.
При применении метода механического скрайбирования следует учитывать такой критерий как коэффициент концентрации напряжений к для определения максимального напряжения изгиба на поверхности за счет приложенного изгибающего момента, который можно рассчитать по формуле:
к = (0.355^ - й) / г) + 0.85)/2 + 0.08, (1)
где г - размер алмазного зерна; ё - глубина реза; ^ - толщина подложки.
Из формулы (1) видно, что чем толще подложка, тем требуется большее напряжение изгиба. Чтобы уменьшить требуемое напряжение изгиба можно увеличить глубину реза, но в этом случае возможен неконтролируемый раскол материала из-за увеличения давления на инструмент для скрайбирования, либо увеличить размер алмазного зерна, но это в свою очередь ухудшит качество кромок чипов и их механическую прочность. Использовать механическое скрайбирование, как и лазерное скрайбирование при такой толщине подложек
не целесообразно в виду ряда факторов основным из которых является операция «докалывания». Несмотря на множественные разработки методов «докалывания», в том числе и бесконтактный ультразвуковой, при толщине подложки в 725 мкм скол будет неконтролируемым и иметь так называемую «юбочку», которая сказывается на прочности и может вызвать брак на последующих операциях сборки.
В целом метод механического скрайбирования кремниевых полупроводниковых пластин [3] не изменился на протяжении последних лет. Лазерные методы скрайбирования и резки кремниевых пластин на кристаллы применяются на протяжении последних нескольких лет - и это развивающиеся методы. По мере того как пластины становятся тоньше, а лазеры дешевле и мощнее, их эксплуатационные преимущества резко возрастают. Лазерная обработка кремния была исследована в ряде лазерных систем с различными длинами волн [4, 5], шириной импульса (от фемтосекундного [6] и пикосекундного [7] режимов до наносекундного [8]) и уровнями мощности. Тем не менее ни в одной из выше указанных работ не упоминалось о резке приборных пластин толщиной свыше 200 мкм. Как правило, чем шире длительность импульсов и больше длина волны, тем выше скорость резания из-за увеличения распределения энергии в кремнии. Однако, эти же качества, которые увеличивают глубину абляции на каждый импульс, также приводят к процессу, который более подвержен тепловым влияниям, таким как плавление, растрескивание, аморфизация и накопление остаточного действующего напряжения. В случае разделения кремниевых пластин на чипы, эти повышенные тепловые влияния вообще приводят к снижению прочности чипа и могут увеличить повреждения тонких пленок и чувствительной электроники на чипе. Кроме того, большая длина волны не способна достигнуть требуемой ширины пропила.
Поэтому целью данной работы явилось исследование возможности применения контролируемых методов дисковой резки на установке АОТ-7100 РгоУейш и лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) на установке РТ-350 для прецизионного разделения кремниевых подложек, позволяющие резать кремниевые приборные пластины насквозь, без последующих операций «докалывания» как при скрайбировании. А также оценка качества поверхностей полученных чипов в производстве микродисплеев на ОСИД.
Исследование процесса дисковой резки
Для резки «сэндвичей» в производстве органических микродисплеев применяется установка дисковой резки АОТ 7100 РгоУейш (Израиль) соответствующая описанным выше требованиям. В этой установке используются продвинутые алгоритмы выравнивания, компенсирующие различия в размерах и углах поворота, вызываемых искривлением и сжатием подложек. Так же она оснащена автоматической системой машинного зрения с функцией плавного цифрового видеомасштабирования, обеспечивающей оптимальное для оператора увеличение. Фронтальное расположение шпинделя и чугунное основание уменьшают вибрации и тепловыделение самой установки.
Недостатком резки диском с наружной алмазной режущей кромкой является невысокая жесткость инструмента, зависящая в основном от соотношения его размеров (толщины и внешнего диаметра). Стойкость G алмазных дисков связана с основными технологическими факторами соотношением:
с = х ж™/^, (2)
где Кт - коэффициент, характеризующий материал; Ж - количество оборотов; Урез -скорость резки; т, п- постоянные величины.
Один из путей повышения жесткости инструмента - увеличение скорости его вращения. Возникающие при этом центробежные силы, направляющие режущий диск по
своему же радиусу, придают ему дополнительную жесткость, однако при большом числе оборотов (свыше 20000 об/мин) возникают вибрации режущей кромки диска и вследствие усиления гидромеханических процессов возрастает величина сколов в зоне реза. Другой путь увеличения жесткости - это применение более толстой основы режущего диска, однако при этом получается большая ширина пропила, также увеличиваются потери полупроводникового материала.
Есть два метода дисковой резки «сэндвичей»: ступенчатый - когда используются разные диски для разных материалов, и сквозной - когда применяют один диск. Для резки стекла используются диски с крупными алмазными зернами 20-60 мкм, а для кремния 4-8 мкм. При таких зернах, подбирая среднюю зернистость 14-20 мкм, толщина дисков может составлять 100-150 мкм, следует отметить, что толстое лезвие более прочное и износостойкое, реальная ширина реза таким диском может составлять 200-300 мкм, т.е. максимально допустимая.
Образцы перед процессом резки были зафиксированы на УФ-ленты Adwill D-510T. Чтобы отсоединить порезанные чипы от УФ-ленты, она облучается УФ-излучением X = 365 нм в течение 90 секунд.
Для дисковой резки были выбраны диски производства ADT (Израиль) 4S030-F617-090-М02 на металлокерамической основе, 4B776-30B1-030-APT на никелевой основе и ДАР производства КБЭТМ-СО «Планар» (Беларусь, Минск) 130.900М, 80.1700Е, 80.1700М, 90.1700М, 100.1700М и 150.2000М. Ступенчатая дисковая резка проходила в два этапа -сначала лезвиями 4S030-F617-090-MG2 и 130.900М прорезалось стекло, затем лезвиями 4B776-30B1-030-APT и 80.1700Е насквозь прорезался кремний, результаты представлены в таблице 1.
Оптимальная скорость подачи для стекла лезвием 4S030-F617-090-MG2 составила 4 мм/с при скорости вращения шпинделя 20000 оборотов в минуту, а лезвием 130.900М скорость подачи составила 1 мм/с в виду того, что при 2 мм/с сколы увеличились в размере в среднем на 5 мкм из-за вибраций режущей кромки, скорость вращения шпинделя оставалась постоянной в 15000 оборотов в минуту.
Резка кремния производилась лезвием 4B776-30B1-030-APT со скоростью подачи 4 мм/с при вращении шпинделя в 40000 оборотов в минуту и лезвием 80.1700Е при изменении таких параметров как скорость подачи с 1 мм/с до 3 мм/с и вращение шпинделя с 30000 до 50000 оборотов в минуту. Оптимальная скорость подачи для лезвия 80.1700Е составила 3 мм/с при вращении шпинделя в 50000 оборотов в минуту, в виду того что при других значениях скоростей подачи и вращений шпинделя сколы увеличивались в размере.
Таблица 1
Результаты по резке «сэндвичей» ступенчатым методом лезвиями 48030-Р617-090-М02,
130.900М, 4B776-30B1-030-APT и 80.1700Е.
Параметр
Минимум Максимум Среднее значение Среднее отклонение Стандартное отклонение
Минимум Максимум Среднее значение Среднее отклонение Стандартное отклонение
4S030-F617-090-MG2 Сколы на внешней стороне (стекло), мкм 28 39 33,8 3,2 3,8 130.900М 15 26 21,5 2,8 3,4
Составлено автором
4B776-30B1-030-APT Сколы на обратной стороне (кремний), мкм 30 45 39,8 3,2 4,4 80.1700Е 25 35 29,8 3,4 3,9
Визуальная оценка качества поверхностей чипов после ступенчатой дисковой резки производилась при помощи оптического микроскопа модели PSM - 1000 фирмы Motic (Китай), фотографии представлены на рисунке 4.
Рис. 4. Фотографии подложки после ступенчатой дисковой резки: внешняя сторона, вид сверху, 20х (а); обратная сторона, вид снизу, 10х (б); профиль, 5х (в)
Составлено автором
Резка «сэндвичей» производилась лезвиями 80.1700М, 90.1700М, 100.1700М и 150.2000М в соответствующей последовательности. Изменялись такие параметры как скорость подачи с 1 мм/с до 2 мм/с и вращение шпинделя с 40000 до 50000 оборотов в минуту для сквозной резки сэндвича, а для резки стекла скорость вращения шпинделя составила 28000 исходя из механики дисковой резки. Наиболее оптимальной выбрана скорость подачи 1 мм/с при вращении шпинделя в 50000 оборотов в минуту для резки кремния и 2 мм/с и 28000 оборотов в минуту для стекла, в виду того что при других значениях скоростей подачи и вращений шпинделя сколы на кремнии увеличивались в размере, а при резке стекла при более высоких оборотах (свыше 30000) возникает перегрев стекла, оно налипает на лезвие, что приводит к его разрушению. Результаты по резке «сэндвичей» представлены в таблице 2.
Качественная сквозная дисковая резка «сэндвича» со структурами ОСИД и вскрытие контактных площадок осуществляются за один технологический цикл, в отличие от ступенчатой дисковой резки. Сквозной метод более технологичен с точки зрения отсутствия дополнительных операций по замене дисков и вторичному выравниванию пластины. К тому же при ступенчатой дисковой резке край кремниевого чипа выступает за пределы защитной крышки, т.е. края чипы остаются не защищенными от различного рода механических воздействий, а это может вызвать повреждения. При сквозной дисковой резке в один проход края кремниевого чипа не выступают и даже при наличии сколов остаются защищенными стеклянной крышкой. Несмотря на более обширные сколы дисковое лезвие ДАР 150.2000М при резке большего числа подложек оказалось наиболее прочным и износостойким, сколы с обратной стороны примерно в 2 раза больше сколов с верхней стороны, это вызвано центробежными силами при вращении лезвия, которые вместе с струей охлаждающей воды цепляют осколки с верхнего слоя и выбивают больший объем снизу.
Таблица 2
Результаты по резке «сэндвичей» сквозным методом лезвиями 80.1700М, 90.1700М,
100.1700М и 150.2000М.
80.1700М
Параметр Сколы на внешней стороне Сколы на обратной стороне
(стекло), мкм (кремний), мкм
Минимум 13 16
Максимум 22 25
Среднее значение 17,3 20,5
Среднее отклонение 2,7 2,5
Стандартное отклонение 3,2 3,0
90.1700М
Минимум 7 22
Максимум 16 33
Среднее значение 14,5 27,5
Среднее отклонение 2,5 2,7
Стандартное отклонение 3,0 3,4
100.1700М
Минимум 15 25
Максимум 25 58
Среднее значение 20,2 38,1
Среднее отклонение 2,4 9,12
Стандартное отклонение 3,0 11,3
150.2000М
Минимум 10 22
Максимум 39 60
Среднее значение 20,5 32,4
Среднее отклонение 6,9 8
Стандартное отклонение 8,9 11,3
Составлено автором
Визуальная оценка качества поверхностей чипов после сквозной дисковой резки лезвием 150.2000М производилась при помощи оптического микроскопа модели РБМ - 1000 фирмы Мойс (Китай), фотографии представлены на рисунке 5.
Рис. 5. Фотографии подложки после сквозной дисковой резки: внешняя сторона, вид сверху, 20х (а); обратная сторона, вид снизу, 10х (б); профиль, 5х (в) Составлено автором
Исследование процесса ЛУТ
В последнее время метод лазерного управляемого термораскалывания (ЛУТ) [9] в современной индустрии зарекомендовал себя как наиболее эффективный и востребованный при прецизионной резке широкого класса хрупких неметаллических материалов. Метод ЛУТ эффективно применяется для резки сапфировых пластин и плоских дисплейных панелей с использованием СО2-лазера с длиной волны 10,6 мкм [10, 11]. При резке подложек из кремния применяется полупроводниковый лазер GaAs с длиной волны излучения 808 нм [12].
Сущность метода лазерного управляемого термораскалывания заключается в следующем. При нагревании поверхности хрупкого материала лазерным излучением с длиной волны, для которой материал непрозрачен, во внешних его слоях возникают напряжения сжатия, которые не приводят к образованию разделяющей трещины.
При подаче вслед за лазерным пучком хладагента происходит резкое локальное охлаждение поверхности материала по линии реза. Создаваемый градиент температур обуславливает возникновение в поверхностных слоях материала напряжений растяжения, превышающих предел прочности материала, которые приводят к образованию трещины. Для оптимизации режимов ЛУТ для различных материалов необходимо учитывать взаимосвязь между основными параметрами, характеризующими этот процесс.
Основными факторами, имеющими первостепенное значение для процесса ЛУТ кремниевой подложки, являются [13]:
• параметры лазерного пучка: длина волны и плотность мощности лазерного излучения, размеры и форма лазерного пучка на поверхности кремния;
• скорость относительного перемещения лазерного пучка и кремниевой подложки;
• теплофизические свойства, количество и условия подачи хладагента в зону нагрева;
• теплофизические и механические свойства кремния, его толщина и состояние поверхности.
В ходе выполнения работы был проведен комплекс теоретических и экспериментальных исследований по ЛУТ кремниевых подложек со структурами ОСИД. Исследование процесса, оптимизация технологических режимов ЛУТ и изготовление опытных партий изделий осуществлялась на установке РТ-350.
Цель испытаний заключалась в оптимизации режимов ЛУТ, а именно: скорости ЛУТ, плотности мощности излучения и размеров эллиптического пучка для получения наиболее качественного сквозного ЛУТ кремния толщиной 725 мкм. Были получены трещины при различных скоростях и количествах проходов. Обнаружено, что один проход лучом на определенной скорости достигает того же или даже лучшего качества и эффективной скорости ЛУТ, как многократное прохождение с более высокой скоростью.
Было обнаружено, что при остро сфокусированном пучке с эллиптичностью 2а х 2Ь = 45:1 на различных скоростях ЛУТ не получен сквозной раскол пластины, и трещина забита осколками, только при высокой мощности, когда ее плотность достигает 975 Вт/мм2 удалось получить сквозной раскол, но его края плохого качества из-за обкалывания. Это вызвано чрезмерным нагревом материала за счет аккумуляции тепла при острой фокусировке, что приводит к плавлению и засорению трещины. С уменьшением эллиптичности до 16:1, есть минимальная абляция, и достигается чистый полный раскол насквозь в 2-3 прохода со скоростью 40-70 мм/с при плотности мощности 587-680 Вт/мм2.
Для средней скорости прохода 50-60 мм/сек, значения эллиптичности между 7:1 и 10:1 приводят к раскалыванию кремниевой пластины толщиной 725 мкм насквозь и с увеличением относительного удлинения пучка, резко снижается глубина трещинообразования, а затем с плавным сглаживанием крутизны снова растет. В качестве иллюстрации этого явления представлен ряд изображений на рисунке 6, полученных при увеличении 20х с помощью оптического микроскопа РБМ - 1000 фирмы Мойс (Китай).
Полный сквозной раскол кремниевой приборной пластины шириной менее 1 мкм достигается с помощью одного прохода при более малой эллиптичности ~ 7:1 и большей плотности мощности 1190 Вт/мм2 со средней скоростью ЛУТ 50-70 мм/сек, примерно с такой же, как и при эллиптичности 16:1 в 2-3 прохода. Так, из-за довольно малой эллиптичности пучка, применяемого в процессе, достигается форма "равенства скорости", в которой мало или вообще нет выгоды от использования высокоскоростного, много ходового процесса ЛУТ 725 мкм кремниевой пластины на кристаллы.
Рис. 6. Вид сверху и поперечные сечения трещин при увеличении 20х после ЛУТ при скорости
50мм/с и эллиптичностях 7:1-10:1, ~16:1 и 45:1 Составлено автором
С целью определения возможности применения ЛУТ в производстве микродисплеев на основе ОСИД была подготовлена кремниевая приборная пластина 0 200 мм и толщиной 725 мкм с напыленными ОСИД структурами с приклеенной к ней при помощи акрилового
адгезива защитной стеклянной крышкой 0 200 мм и толщиной 700 мкм. Стеклянная крышка была прорезана насквозь дисковым лезвием 130.900М на установке ADT 7100 ProVectus и была вскрыта область кремниевой приборной пластины с контактными площадками. Далее был проведен процесс ЛУТ кремниевой приборной пластины с обратной стороны кремниевой подложки [14] на установке РТ - 350 при эллиптичности пучка ~ 7:1 с плотностью мощности 1190 Вт/мм2 на скорости 50 мм/сек. При помощи цветоанализатора СА-310 производства компании Konica Minolta (Япония) была измерена яркость 20 тестовых образцов (рис.7). Данные были получены при подаче питания на образцы в 5 В.
II II I IJ ! ПШХЕ
755 кд/м2 944 кд/м2 803 кд/м2 660 кд/м2 951 кд/м2 827 кд/м2 806 кд/м2 750 кд/м2 939 кд/м2 808 кд/м2 653 кд/м2 942 кд/м2 844 кд/м2 798 кд/м2
тпшш гш
844 кд/м2 710 кд/м2 579 кд/я2 724 кд/м2 851 кд/м2 809 кд/м2 659 кд/м2 836 кд/м2 697 кд/м2 584 кд/м2 721 кд/м2 846 кд/м2 814 кд/м2 666 кд/м2
□□
757 кд/м2 874 кд/м2
а)
□п
744 кд/м2 870 кд/м2 б)
Рис.7. Яркость тестовых образцов ОСИД до ЛУТ (а) и после ЛУТ (б)
Составлено автором
Математическая модель процесса ЛУТ кремниевой пластины
Для того что бы определить степень влияния нагрева пластины на органические структуры были выполнены расчеты распределения температуры в зоне резки методом ЛУТ. В соответствии с действующими техническими условиями максимальная ширина дорожки, отведенной для разделения, составляет 300 мкм [15].
Оценка температуры поверхности с обратной стороны проведена решением задачи теплопроводности теплоизолированной пластины, нагреваемой перемещающимся эллиптическим пучком лазера, моделируя условия термораскалывания [11].
Для построения математической модели удобно аппроксимировать температурную зависимость коэффициента теплоотдачи, аналитической функцией, учитывающей протяженность фронта кипения. Поскольку изменение режима пузырькового кипения на кипение с образованием паровой пленки на поверхности охлаждения существенно влияет на распределение температуры поверхности кремния, охлаждаемого водой вслед за нагревом лучом лазера. Таким образом зависимость коэффициента теплоотдачи можно определить формулой:
иГтЛ ( 4 (Т-Тв-ОТ)2\
Л(Г) = ат- ехр (--—-) (3)
где ат = 1,610-5 [Вт/(м2-°К)]; DT = 14 [°С]; Tв = 100 [°С] - температура кипения воды.
Эта аппроксимирующая функция, вычисленная по формуле (3), приведена на рисунке 8. Основной характер поведения зависимости можно учесть простой аналитической функцией. Таким образом можно выразить теплоотдачу аналитической зависимостью (3). Максимальное значение теплоотдачи зависит как от хладагента, так и от материала
охлаждаемой поверхности, ат = 1,6-10 [Вт / (м2 °К)] - приведено в (3) для кипения воды вокруг тонкой проволочки, погруженной в воду.
Рис. 8. Зависимость коэффициента теплоотдачи а от превышения температуры, охлаждаемой поверхности кремния Тнад температурой Тв кипения воды АТ = Т- Тв.
Составлено автором
Следует отметить, что максимальное значение теплоотдачи может быть увеличено в 23 раза, за счет удаления паровой плёнки. В методе ЛУТ для предотвращения перехода пузырькового режима кипения в плёночный режим паровая плёнка сдувается подаваемой воздушно-водяной струёй.
Задача теплопроводности запишется:
дТ
Г(г,0) = 7о
(4)
5Г(х,у, 0
=0
Г(~,0 =70
где аТ - температуропроводность, То - начальное значение температуры пластины, - температурная зависимость коэффициента теплоотдачи при охлаждении поверхности пластины хладагентом (воздушно-водяная смесь), q - источник нагрева (лазерный пучок эллиптической формы, движущийся относительно пластины в направлении оси ОХ), й -толщина пластины.
Время прогревания любой точки кремниевой пластины по оси следования лазерного пучка t можно выразить через скорость v:
^ _ 2а
V
где a - длинная полуось эллипса пятна нагрева, v - скорость перемещения.
(5)
Для расчета распределения температуры 725 мкм кремниевой пластины при мощности лазера Р = 250 Вт и скорости перемещения V = 50 мм/с применен метод разделения переменных [16]. Следует отметить, что трещина, следующая за лазерным пучком, проходит в плоскости симметрии нагрева и охлаждения пластины и на процессы теплопроводности влияния не оказывает, так как через плоскость симметрии тепловых потоков нет.
Задача теплопроводности нелинейная из-за теплоотдачи при кипении на поверхности кремниевой пластины, решается она численно, методом конечных разностей. Теплоотдача учитывается как поверхностный линейный отрицательный источник, изменяемый с учетом температурного поля по предыдущему шагу расчета по времени. Вычисленное распределение температуры представлено на рисунке 9 в виде изотермы обратной к излучению стороны кремниевой приборной пластины, поскольку при ЛУТ «сэндвича» процесс проводится с обратной стороны кремниевой подложки.
Рис. 9. Изотермы обратной к излучению стороны пластины Составлено автором
Из рисунка 9 видно, что в пределах максимально допустимой ширины реза в 300 мкм, отведенной на разделение микродисплеев, температура на поверхности не превышает 230оС при скорости относительного перемещения 50 мм/сек. А из рисунка 2 видно, что минимальное расстояние от линии реза до границы ОСИД структуры 1,68 мм, следовательно, расчет доказывает, что при ЛУТ не может произойти повреждения структуры ОСИД.
Сравнение дисковой резки и ЛУТ кремниевых приборных пластин
Для сравнения, оценки и анализа качества кромок после дисковой алмазной резки и после резки методом ЛУТ был использован оптический микроскоп модели РБМ - 1000 фирмы Мойс (Китай), фотографии представлены на рисунке 10. Рассматривались только кремниевые приборные пластины толщиной 725 мкм, поскольку качество торцов и кромок стеклянных крышек не оказывает влияния на ОСИД структуры, особое внимание уделено качеству поверхности в области контактных площадок, поскольку после технологической операции резки кристалл уходит на операцию разварки контактов или посадки на шлейф и дальнейшие сборочные операции.
Рис. 10. Фотографии для сравнения дисковой резки (а) и ЛУТ (б), полученные при увеличении
20х
Составлено автором
Исходя из рисунка 10 можно сделать следующие сравнительные выводы:
• Ширина реза с учетом сколов при дисковой резке составляет не более 300 мкм, у кремния с лицевой стороны вдоль линии контактных площадок около 250 мкм, а с задней стороны около 300 мкм (Рис.10а). Ширина реза при ЛУТ составляет не более 1 мкм (Рис.10б)
• Качество кромки при дисковой резке с лицевой стороны кремния в месте вскрытия контактных площадок отличается наличием более мелких сколов и микротрещин в отличие от кромки задней стороны кремния (Рис.10а). Качество кромки при ЛУТ выделяется отсутствием сколов в целом.
При сравнении установок исходя из основных технологических требований, предъявляемых оборудованию при резке подложек с ОСИД, следует:
• Установки ADT-7100 ProVectus и РТ-350 обеспечивают резку подложек 0 200 мм, причем установка ADT-7100 ProVectus обеспечивает резку как «сэндвича» в целом, так и по отдельности стеклянной крышки и кремниевой подложки;
• Обе установки обеспечивают ширину реза с учетом сколов не более 300 мкм, более того установка РТ-350 позволяет осуществлять резку кремниевых приборных пластин толщиной 725 мкм с шириной реза менее 1 мкм;
• Установка РТ-350 обеспечивает гладкие поверхности реза характерные качественной полировке, в то время как установка ADT-7100 ProVectus обеспечивает ровные поверхности реза характерные качественной шлифовке, но тем не менее не требующие дополнительной механической обработки;
• Вибрации, возникающие в зоне резки установки ADT-7100 ProVectus, не ухудшают адгезию компаунда к крышке и подложке, а в зоне ЛУТ установки РТ-350 вибрации вовсе отсутствуют;
• Обе установки обладают высокой точностью позиционирования линии реза не более ± 10 мкм.
Для количественной оценки качества торцов кремниевых приборных пластин была измерена шероховатость поверхности [17] по трем направлениям после механической резки и после ЛУТ (Рис.11) с помощью профилометра модели XP-200 фирмы Ambios (США).
Рис. 11. Профилограммы поверхностей кромок пластин после дисковой резки (а, б, в) и ЛУТ
(г, д, е) Составлено автором
Шероховатость поверхности после дисковой резки по центру торца составляет Rz = 0,4802 мкм (Рис.11а), вдоль линии сколов с лицевой стороны Rz = 10,2086 мкм (Рис.11б) и вдоль линии сколов с задней стороны Rz = 23,4079 мкм (Рис.11в). Шероховатость поверхности после ЛУТ по центру торца (Рис.11г), вдоль линии сколов с лицевой (Рис.11д) и задней (Рис.11е) сторон составляет не более Rz ~ 0,005 мкм.
Заключение
Проведенные в данной работе исследования и полученные результаты продемонстрировали высокую эффективность применения сквозной дисковой резки «сэндвичей» и лазерного управляемого термораскалывания для разделения 0 200мм кремниевых подложек толщиной 725 мкм со структурами микродисплеев на органических светоизлучающих диодах.
Выявлено, что методом ЛУТ при плотности мощности 1190 Вт/мм2 и эллиптичности пучка ~7:1 за один проход со скоростью 50 мм/с можно получить сквозную трещину на пластине кремния толщиной 725 мкм, при этом ширина реза составит менее 1 мкм.
Предложен новый метод сквозной дисковой резки, обеспечивающий разделение «сэндвича» со структурами ОСИД на чипы и вскрытие контактных площадок за один технологический цикл, в отличие от ступенчатой дисковой резки. Применение метода дисковой алмазной резки в производстве органических микродисплеев и проведенные исследования доказали целесообразность и эффективность данного метода разделения кремниевых подложек со структурами микродисплеев на органических светоизлучающих диодах и стеклянных крышек вместе и по отдельности.
Установлены следующие существенные недостатки метода дисковой резки по сравнению с методом ЛУТ:
• механическая вибрация, приводящая к образованию сколов и трещин на кромках пластин и самих кристаллах;
• низкая скорость процесса резки 1 - 4 мм/сек;
• разброс по ширине реза вследствие износа режущих дисков;
• возможность только линейных перемещений режущего диска;
• необходимость последующей очистки пластин из-за загрязнения их поверхности.
Впервые обобщены сведения по оценке качества поверхностей чипов после лазерного управляемого термораскалывания и дисковой резки. Выявлены преимущества лазерного термораскалывания кремниевых приборных пластин, которые заключаются в следующем:
• повышение скорости резки более чем в 50 раз по сравнению с механической алмазной резкой;
• повышение качества резки за счет отсутствия микротрещин и сколов;
• увеличение механической прочности изделий после ЛУТ в 5 раз по сравнению с традиционной технологией за счет бездефектности кромки;
• уменьшение шероховатости поверхности кромки пластины после ЛУТ более чем в 100 раз;
• резка методом ЛУТ позволяет практически на порядок увеличить производительность процесса разделения микродисплеев и увеличить процент выхода годных изделий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Александрова Г.А., Грачев O.A., Усов Н.Н. Главные тенденции формирования белых высокоэффективных органических светоизлучающих диодных структур на основе маломолекулярных соединений // Материалы 19-го международного симпозиума «Перспективные технологии дисплеев и полупроводниковой осветительной техники» 28 февраля- 4 марта. 2011г. Логойск. Республика Беларусь. С.11-24.
2. Кондрацкий Б.А., Котовский О.Г., Новичков А.А., Усов Н.Н. Конструктивно-технологические особенности органических светодиодов и приборов на их основе // Нанотехника. 2013. №4. С.18-21.
3. Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. В 10 книгах. Книга 4. Механическая и химическая обработка. / С.Н. Никифорова-Денисова. М.: «Высшая школа». 1989. 96 с.
4. Zeng X.J., Mao X., Greif R., Russo R.E. Ultraviolet femtosecond and nanosecond laser ablation of silicon: ablation efficiency and laser-induced plasma expansion // Proc. SPIE 5448, High-Power Laser Ablation V, 1150 (September 20, 2004); DOI: http://dx.doi.org/10.1117/12.544401
5. James M. Bovatsek, Rajesh S. Patel. Highest-speed dicing of thin silicon wafers with nanosecond-pulse 355nm q-switched laser source using line-focus fluence optimization technique // Proc. SPIE 7585, Laser-based Micro- and Nanopackaging and Assembly IV, 75850K (February 23, 2010); DOI: http://dx.doi.org/10.1117/12.845298
6. Bonse J., Baudach S., Krüger J., Kautek W., Lenzner M. Femtosecond laser ablation of silicon-modification thresholds and morphology. Applied Physics A.74 (2002) pp.19-25. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://link.springer.com/article/10.1007/s003390100893 - Загл. с экрана. - Яз. англ.
7. Raciukaitis G., Brikas M. Micro-machining of silicon and glass with picosecond lasers // Proc. SPIE 5662, Fifth International Symposium on Laser Precision Microfabrication, 717 (October 8, 2004); DOI: http://dx.doi.org/10.1117/12.596604
8. Klotzbach U., Panzner M., Kasper J., Hendrik W., Thomas K., Franke V., Eckhard B. Processing of silicon by Nd:YAG lasers with harmonics generation // Proc. SPIE 4637, Photon Processing in Microelectronics and Photonics, 496 (June 17, 2002); DOI: http://dx.doi.org/10.1117/12.470659
9. Патент РФ №2024441, МКИ5 СО3 В 33/02. Способ резки хрупких материалов / В.С. Кондратенко. - 1991.
10. Kondratenko V., Gindin P., Tchernykh S. Laser controlled thermocracking die separation technique for sapphire substrate based devices // Phys. Stat. Sol. (c). №7. 2003. Р. 2232-2235.
11. Кондратенко В.С., Борисовский В.Е., Гиндин П.Д., Наумов А.С., Сек-Джун Ли. Разработка технологии лазерного управляемого термораскалывания плоских дисплейных панелей // Приборы. №4 (58). 2005. С. 35 - 38.
12. Кондратенко В.С., Гиндин П.Д., Борисовский В.Е., Колесник В.Д., Сорокин А.В. Российские высокие технологии в производстве приборов микро - и оптоэлектроники // Интеграл. №6 (208). 2008. С. 8 - 9.
13. Кондратенко В.С. Высокоэффективный метод лазерного управляемого термораскалывания хрупких материалов// Интеграл. №2 (280). 2006. С. 22 - 23.
14. Гиндин П.Д., Кондратенко В.С., Сорокин А.В., Хлызов В.А. Система видео контроля позиционирования заготовок на установках лазерного управляемого термораскалывания // Приборы. №1. 2012. С. 50-52
15. Кондратенко В.С., Борисовский В.Е., Иванов В.И. Разделение органических светоизлучающих диодов на кремниевой подложке методом лазерного управляемого термораскалывания // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. №2. 2014. С. 76 - 81.
16. Теория упругости. / В. Новацкий. М.: «Мир». 1975. 872 с.
17. Иванов В.И. Преимущества лазерного управляемого термораскалывания кремниевых пластин в производстве органических светоизлучающих диодов // Проблемы и перспективы развития науки и образования в XXI веке: сборник научных трудов по материалам Международной заочной научно-практической конференции 18 февраля 2014г. Липецк. Липецкая областная общественная организация Всероссийского общества изобретателей и рационализаторов. 2014. С. 78-79.
Рецензент: Нуриев Александр Вадимович, Ведущий инженер, к.т.н., ООО «Технологии Органической и Печатной Электроники».
Vladimir Ivanov
Moscow State University of Instrument Engineering and Informatics
Russia, Moscow E-Mail: [email protected]
Techniques for cutting silicon device wafers into chips in the production of OLED microdisplays
Abstract. Requirements for high precision and improvement surface finish and the demand for the production of microdisplays based on organic light emitting diodes (OLED) with low user value mean the necessity of considering effective techniques for cutting silicon device wafers. In this paper, we consider high-efficiency processes precision through cutting silicon device wafers into chips in the production of microdisplays based on organic light emitting diodes. These technical processes are controlled and have less aggressive modes unlike other mechanical and laser methods, such as mechanical scribing, laser scribing and laser cutting. The article uses a dicing system ADT-7100 ProVectus (Israel) and laser system RT-350 (Russia), which based on the method of laser controlled thermocracking. Discusses the various types of disc blades and conditions of experiments for these systems for cutting semiconductor device wafers into chips. Presented and compared to data for rating of merit the surfaces of chips after the laser controlled thermocracking and dicing, namely the availability and size of the chipping, as well as surface roughness. In this paper substantiates and experimentally proved possibility and efficiency of using through dicing and laser controlled thermocracking methods in OLED technology.
Keywords: dicing; laser controlled thermocracking; organic light-emitting diodes (OLED); OLED microdisplays; silicon; silicon wafers; cutting silicon device wafers into chips; rating of merit the surface; chipping; surface roughness.
Identification number of article 87TVN414
REFERENCES
1. Aleksandrova G.A., Grachev O.A., Usov N.N. Glavnye tendencii formirovanija belyh vysokojeffektivnyh organicheskih svetoizluchajushhih diodnyh struktur na osnove malomolekuljarnyh soedinenij // Materialy 19-go mezhdunarodnogo simpoziuma «Perspektivnye tehnologii displeev i poluprovodnikovoj osvetitel'noj tehniki» 28 fevralja- 4 marta. 2011g. Logojsk. Respublika Belarus'. S.11-24.
2. Kondrackij B.A., Kotovskij O.G., Novichkov A.A., Usov N.N. Konstruktivno-tehnologicheskie osobennosti organicheskih svetodiodov i priborov na ih osnove // Nanotehnika. 2013. №4. S.18-21.
3. Tehnologija poluprovodnikovyh priborov i izdelij mikrojelektroniki. V 10 knigah. Kniga 4. Mehanicheskaja i himicheskaja obrabotka. / S.N. Nikiforova-Denisova. M.: «Vysshaja shkola». 1989. 96 s.
4. Zeng X.J., Mao X., Greif R., Russo R.E. Ultraviolet femtosecond and nanosecond laser ablation of silicon: ablation efficiency and laser-induced plasma expansion // Proc. SPIE 5448, High-Power Laser Ablation V, 1150 (September 20, 2004); DOI: http://dx.doi.org/10.1117/12.544401
5. James M. Bovatsek, Rajesh S. Patel. Highest-speed dicing of thin silicon wafers with nanosecond-pulse 355nm q-switched laser source using line-focus fluence optimization technique // Proc. SPIE 7585, Laser-based Micro- and Nanopackaging and Assembly IV, 75850K (February 23, 2010); DOI: http://dx.doi.org/10.1117/12.845298
6. Bonse J., Baudach S., Krüger J., Kautek W., Lenzner M. Femtosecond laser ablation of silicon-modification thresholds and morphology. Applied Physics A.74 (2002) pp.19-25. [Jelektronnyj resurs]. - Rezhim dostupa: http://link.springer.com/article/10.1007/s003390100893 - Zagl. s jekrana. - Jaz. angl.
7. Raciukaitis G., Brikas M. Micro-machining of silicon and glass with picosecond lasers // Proc. SPIE 5662, Fifth International Symposium on Laser Precision Microfabrication, 717 (October 8, 2004); DOI: http://dx.doi.org/10.1117/12.596604
8. Klotzbach U., Panzner M., Kasper J., Hendrik W., Thomas K., Franke V., Eckhard B. Processing of silicon by Nd:YAG lasers with harmonics generation // Proc. SPIE 4637, Photon Processing in Microelectronics and Photonics, 496 (June 17, 2002); DOI: http://dx.doi.org/10.1117/12.470659
9. Patent RF №2024441, MKI5 SO3 V 33/02. Sposob rezki hrupkih materialov / V.S. Kondratenko. - 1991.
10. Kondratenko V., Gindin P., Tchernykh S. Laser controlled thermocracking die separation technique for sapphire substrate based devices // Phys. Stat. Sol. (c). №7. 2003. R. 2232-2235.
11. Kondratenko V.S., Borisovskij V.E., Gindin P.D., Naumov A.S., Sek-Dzhun Li. Razrabotka tehnologii lazernogo upravljaemogo termoraskalyvanija ploskih displejnyh panelej // Pribory. №4 (58). 2005. S. 35 - 38.
12. Kondratenko V.S., Gindin P.D., Borisovskij V.E., Kolesnik V.D., Sorokin A.V. Rossijskie vysokie tehnologii v proizvodstve priborov mikro - i optojelektroniki // Integral. №6 (208). 2008. S. 8 - 9.
13. Kondratenko V.S. Vysokojeffektivnyj metod lazernogo upravljaemogo termoraskalyvanija hrupkih materialov// Integral. №2 (280). 2006. S. 22 - 23.
14. Gindin P.D., Kondratenko V.S., Sorokin A.V., Hlyzov V.A. Sistema video kontrolja pozicionirovanija zagotovok na ustanovkah lazernogo upravljaemogo termoraskalyvanija // Pribory. №1. 2012. S. 50-52
15. Kondratenko V.S., Borisovskij V.E., Ivanov V.I. Razdelenie organicheskih svetoizluchajushhih diodov na kremnievoj podlozhke metodom lazernogo upravljaemogo termoraskalyvanija // Oboronnyj kompleks - nauchno-tehnicheskomu progressu Rossii. №2. 2014. S. 76 - 81.
16. Teorija uprugosti. / V. Novackij. M.: «Mir». 1975. 872 s.
17. Ivanov V.I. Preimushhestva lazernogo upravljaemogo termoraskalyvanija kremnievyh plastin v proizvodstve organicheskih svetoizluchajushhih diodov // Problemy i perspektivy razvitija nauki i obrazovanija v XXI veke: sbornik nauchnyh trudov po materialam Mezhdunarodnoj zaochnoj nauchno-prakticheskoj konferencii 18 fevralja 2014g. Lipeck. Lipeckaja oblastnaja obshhestvennaja organizacija Vserossijskogo obshhestva izobretatelej i racionalizatorov. 2014. S. 78-79.
