Детали блога

В современной электронике смартфоны, планшеты и умные часы становятся тоньше и легче, но при этом все более мощными. Одним из ключевых факторов, обеспечивающих этот феномен «маленький, но мощный», является утонение пластин — критический процесс в производстве полупроводников, который уменьшает толщину пластин, сохраняя при этом производительность.

Зачем утонять пластины?

Пластина является основой полупроводникового чипа, обычно толщиной в несколько сотен микрометров. Утонение пластин предлагает несколько технических преимуществ:

1. Обеспечение ультратонких конструкций корпусов
   Более тонкие пластины позволяют чипам помещаться в компактные, легкие устройства, сохраняя при этом механическую надежность.

2. Облегчение 3D-стекированных ИС
   В 3D-ИС упаковке утоненные пластины можно вертикально штабелировать, увеличивая функциональную плотность и интеграцию в ограниченном пространстве.

3. Улучшение тепловых характеристик
   Более тонкие пластины уменьшают пути теплопроводности и увеличивают соотношение площади поверхности к объему, помогая эффективно рассеивать тепло и предотвращать локальный перегрев, который может ухудшить производительность устройства.

Насколько тонкими могут быть пластины?

Минимально достижимая толщина зависит от свойств материала и размера пластины:

• Размер имеет значение: Большие пластины механически слабее и более подвержены растрескиванию при утонении.

• Материал имеет значение: Кремний (Si), арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN), ниобат лития (LN), танталат лития (LT), сапфир и керамика — все они обладают разной механической прочностью. Хрупкие материалы, такие как GaAs, GaN, LN и LT, труднее утонять и имеют более высокие пределы минимальной толщины.

Например, процесс TAIKO компании Disco может утонить 12-дюймовую кремниевую пластину примерно до 50 мкм — примерно толщина листа бумаги.

Четыре основных метода утонения пластин

Утонение пластин обычно достигается четырьмя методами, каждый из которых имеет уникальные преимущества и ограничения:

1. Механическое шлифование

Материал физически удаляется высокоскоростным алмазным абразивным кругом.

• Преимущества: Быстрое удаление материала, подходит для массового утонения.

• Ограничения: Может вызывать микротрещины и напряжения на поверхности; может потребоваться последующая обработка для улучшения качества поверхности.

2. Химико-механическая полировка (CMP)

Сочетает химическое размягчение с механическим истиранием для удаления материала при достижении высокой плоскостности поверхности.

• Преимущества: Чрезвычайно гладкая, плоская поверхность; подходит для высокоточных применений.

• Ограничения: Высокая стоимость и сложный контроль процесса.

3. Мокрое химическое травление

Жидкие химикаты растворяют материал с поверхности пластины.

• Преимущества: Простое оборудование, низкая стоимость, простота эксплуатации.

• Ограничения: Плохая равномерность травления, сложно точно контролировать толщину, может привести к шероховатым поверхностям.

4. Сухое плазменное травление

Реактивные частицы из плазмы химически удаляют материал с поверхности пластины.

• Преимущества: Позволяет выполнять точное, локализованное утонение и изготовление сложных структур.

• Ограничения: Дорогое оборудование, сложный процесс, более высокая шероховатость поверхности.

Основные проблемы при утонении пластин

Утонение пластин — это не просто «сделать пластины тоньше» — это требует точной инженерии, чтобы избежать дефектов:

1. Равномерность толщины
   Постоянная толщина пластины имеет решающее значение для обеспечения равномерной производительности устройства по всей пластине.

2. Качество поверхности
   Утонение может привести к образованию микротрещин, частиц или чрезмерной шероховатости поверхности, влияя на выход годных изделий и надежность.

3. Управление напряжениями
   Механические и термические напряжения, возникающие при утонении, могут привести к деформации, искривлению или внутренним дефектам пластины.

Заключение

Утонение пластин является краеугольным камнем современной полупроводниковой упаковки и технологии 3D-ИС. Это позволяет создавать более легкие и тонкие чипы, одновременно улучшая функциональную плотность и терморегулирование. Овладение методами утонения пластин необходимо для разработки высокопроизводительных, ультратонких электронных устройств.