ПРЕДМЕТНЫЙ СТОЛИК Российский патент 2007 года по МПК G02B21/26 H01J37/20 

Изобретение относится к оборудованию для микроэлектронной области техники и может быть использовано при разработке технологического и тестового оборудования для расширения его функциональных возможностей, упрощения и удешевления его компонент.

Известен широкий круг технологического и тестового оборудования: установки фотолитографии ("Установка совмещения и экспонирования ЭМ-5026М", в проспекте "Оборудование для формирования и контроля топологических структур на фотошаблонах и полупроводниковых пластинах в производстве СБИС и других изделий электронной техники». Концерн «Планар», Минск, 2006. Отпечатано ИП «Принтим-Пак». Зак. 8157), резки кристаллов и зондовых аппаратов ("Установка зондовая ЭМ-6510", в проспекте "Сборочное оборудование». Концерн «Планар», Минск, 2006. Отпечатано ИП «Принтим-Пак». Зак. 8157), («Установка зондовая аналитическая ЭМ-6030. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, 2.688.050.ТО», лист 8), («Автомат зондовый Зонд-А5, 14НМ-14-005, 2.688.077. ТО; Редакция 1-77, на 33 листах, лист 11; Техническое описание и инструкция по эксплуатации, лист 11), в которых важным компонентом является столик предметный, предназначенный для закрепления полупроводниковых пластин или фрагментов таких пластин - «чипов». Предметные столики обычно представляют собой металлическую гладкую поверхность, на которую помещается пластина («чип»). На части этой поверхности имеются вакуумные канавки. При помещении на плоскую поверхность с вакуумными канавками полупроводниковой пластины и присоединении объема вакуумных канавок к откачивающему объему вакуумного насоса открытием вакуумного вентиля происходит прижимание пластин к плоскости предметного столика за счет действия внешнего атмосферного давления, проще говоря, происходит «присасывание» пластины к поверхности предметного столика. После фиксации пластины вакуумом с ней проводят технологические или тестовые операции, требующие строго фиксированного положения пластины на предметном столике, например разрезание пластины на «чипы», совмещение рисунка пластины с рисунком фотошаблона, т.д. При осуществлении этих операций боковые усилия на пластину внешних воздействий, возникающих в ходе осуществления операций, не должны превышать предельно допустимых, при превышении которых происходит сдвиг пластины.

Недостатком в предметных столиках вышеуказанных установок является то, что определенная конфигурация и размер вакуумных канавок подобных столиков предназначены для прижима и фиксации на них пластин или «чипов» соответствующего размера. Например, размер круглых полупроводниковых пластин, помещаемых на предметный столик «Зонда-А5» должен быть не менее 70 мм. Между тем в современной микроэлектронике возникли новые технические задачи, требующие работы с «чипами» различного размера, причем уже в процессе их разработки требуется изменять их размер либо работать с их небольшими фрагментами, на которых, например, имеются тестовые элементы.

Известно устройство, работающее с образцами различного размера, - это установка для соединения двух образцов полупроводниковых пластин друг с другом сплавлением встречных контактов (так называемая «flip-chip»-технология: Н.Quinones, A.Babiarz and A.Headquarters. "Flip-chip, CSP and WLP Technogies: A Reliability Perspective a historical Perspective", IMAPS Nordic, September 2001). Это устройство взято за прототип.

Частично в установках, предназначенных для «flip-chip»-технологии, указанная проблема решена тем, что в них используются предметные столики различного размера (для этого либо используются сменные предметные столики различного размера, либо на одном предметном столике имеются углубления, выполненные в виде канавок, образуя несколько вакуумных канавок различного размера, каждая из которых индивидуально подсоединяется к откачивающему объему вакуумного насоса. Например, на верхней части установки «FC-6» фирмы «KarlSuss» устанавливаются сменные предметные столики различного размера, а в нижней части имеется предметный столик с тремя вакуумными канавками различного размера, и каждая из канавок имеет индивидуальное подсоединение к откачивающему вакуумному насосу.

Недостатком известного решения является то, что при изменении размеров образцов необходимо изменять геометрию вакуумных канавок, то есть попросту заказывать новые предметные столики. При этом нужно учитывать то, что такие предметные столики, работающие при температурах до 400°С, изготавливаются из специальных, очень дорогих материалов и проблему замены предметного столика нельзя решить оперативно. Кроме того, предметные столики, используемые в установках типа FC-6, имеют вакуумные канавки шириной около 1,5 мм. Поскольку усилия, прилагаемые к образцам в процессе их соединения, могут достигать 20 кг/см², такая большая ширина вакуумных канавок приводит к прогибу кристаллов и образованию микротрещин, влияющих на электрофизические параметры образцов, даже в относительно толстых образцах, толщиной порядка 1 мм. Что касается утоненных образцов толщиной около 0,1 мм, то при таких нагрузках они вообще разрушатся в месте прогиба. Уменьшение же ширины канавок в такой конструкции нежелательно, поскольку это приведет к соответствующему уменьшению прижимающей силы, что, в свою очередь, приведет к уменьшению предельно допустимого усилия, при котором будет происходить сдвиг образца.

Техническим результатом изобретения является достижение универсальности предметного столика, а именно возможность работы с образцами различного размера и конфигурации без ухудшения предельно допустимых усилий сдвига. Кроме того, предлагаемое техническое решение позволяет значительно уменьшить прогибы образцов и, следовательно, расширяет технический диапазон его применения, допуская работу с утоненными образцами без образования микротрещин и ухудшения их электрофизических параметров, а упрощение конструкции удешевляет технологию его изготовления.

Технический результат достигается тем, что в предметном столике, состоящем из основания с плоской поверхностью, на которой выполнены углубления и отверстие, ведущее к вакуумному насосу, причем углубления соединены с отверстием, ведущим к вакуумному насосу, и выполнены в виде сплошного рельефа с размером углублений от 3 до 100 мкм, кроме того, все углубления соединены между собой.

В предметном столике в отверстие, ведущее к вакуумному насосу, вставлена трубка. Эта трубка позволяет присоединиться, посредством шланга, к откачивающему объему вакуумного насоса.

При помещении на такую поверхность образца, любой конфигурации и размера, между ним и поверхностью предметного столика автоматически создается тонкий прерывистый объем пониженного давления, необходимого для фиксации образца на поверхности предметного столика. Использование рельефа с характерным размером углублений от 3 до 100 мкм на порядки уменьшает прогибы образцов над областями пониженного давления и, следовательно, позволяет использовать предлагаемую конструкцию для работы с образцами пониженной толщины и с применением значительных усилий сдавливания. Удешевление технологии изготовления столика возможно вследствие упрощения его конструкции, поскольку создание сплошной рельефной поверхности возможно применением обычного шлифования соответствующим абразивом.

На фиг.1 представлен предметный столик с помещенным на него образцом полупроводниковой пластины.

На фиг.2 показаны результаты измерений бокового усилия, при котором происходит сдвиг образцов, зафиксированных на предлагаемых предметных столиках.

Для реализации данного технического решения предлагается на плоском основании столика, например, шлифованием формировать рельефную поверхность соответствующим абразивом. Известно, что при применении абразива с характерным размером частиц а характерный размер впадин, получаемых на шлифуемой поверхности, будет составлять а/3. Если шлифование вести достаточно долго, то постепенно вся поверхность будет покрыта равномерным рельефом, состоящим из выпуклостей и соединенных между собой впадин. Через отдельные впадинки вся «сеть» углублений будет соединена с отверстием, ведущим к вакуумному насосу и выполненным в центральной части предметного столика.

Наши эксперименты показали, что формирование нужного рельефа абразивом с размером зерен менее 9 мкм нецелесообразно, так как происходит заполировывание поверхности, а формирование рельефа абразивом с размером зерен более 300 мкм не обеспечивает требуемого технического результата, так как размер получаемых углублений более 100 мкм становится сравнимым с толщиной используемых в современной микроэлектронике полупроводниковых образцов, что приводит к образованию микротрещин.

На фиг.1 представлен предметный столик с помещенным на него образцом полупроводниковой пластины, где 1 - основание предметного столика с плоской поверхностью, 2 - впадины, 3 - отверстие, ведущее к вакуумному насосу, 4 - трубка для присоединения сети углублений предметного столика к откачивающему объему вакуумного насоса, 5 - полупроводниковая пластина.

Если вакуумный насос создает на входе отвестия 3 разрежение с давлением воздуха Ро, а атмосферное давление равно Ратм, то в первом приближении сила, прижимающая полупроводниковую платину (5) к основанию предметного столика (1), будет равна Fo=Sв(Ратм+Ро)/2, где Sв - общая площадь всех впадин (2). Если размер впадин и выступов одинаков, например при формировании рельефной поверхности шлифованием грубым порошком, то в простейшем приближении площадь Sв равна половине площади образца S. Эта формула для оценки прижимающей силы не зависит от конфигурации полупроводниковой пластины, поскольку по периметру полупроводниковой пластины (5) давление всегда равно атмосферному, а по продвижении к отверстию 3 оно равномерно падает до давления Ро.

Конечным требуемым результатом применяемого технического решения для конструкции предметного столика в установках «flip-chip»-технологии являются боковые усилия, при превышении которых происходит сдвиг образца (полупроводниковой пластины), прижатого к его поверхности. Нами были проведены прямые измерения этого параметра на изготовленных нами предметных столиках с тремя различными характерными размерами углублений (2) и, для сравнения, измерения на предметном столике фирменной установки FC-6. Для измерений использовались квадратные образцы полупроводниковых кремниевых пластин с различной площадью от 10 до 120 мм². Диаметр центрального отверстия (3) для присоединения через трубку (4) к вакуумному насосу был одинаков для всех предметных столиков и составлял 2 мм.

Отметим, что выбранные размеры образцов характерны для современной технологии микроэлектроники, и для таких образцов усилия сдвига достаточно малы (из-за малой площади образцов), поэтому их величина является очень важным параметром.

На фиг.2 показаны результаты измерений бокового усилия, при котором происходил сдвиг образцов, зафиксированных на изготовленных нами предметных столиках, с характерным размером углублений 3, 13 и 30 мкм (кривые 6, 7, 8 соответственно). Для сравнения приведены результаты измерений на контрольном образце, помещенном на гладкую поверхность с канавкой известного предметного столика (кривая 9). Как видно из фиг.2, оптимальный размер углублений, при котором усилие сдвига f максимально, может быть различным в зависимости от площади образцов, но при всех прочих равных условиях рельефная поверхность обеспечивает увеличение усилия сдвига в 1,5-3 раза по сравнению с гладкой поверхностью известного предметного столика с канавкой.

Для образцов с площадью 40 мм² наибольшее усилие сдвига достигалось на рельефной поверхности с размером углублений 3 мкм, при этом усилие сдвига для таких углублений почти в 1,5 раза больше, чем для предметного столика с углублениями 40 мкм. Для образцов же с площадью около 60 мм² разница в величине усилия сдвига для разных размеров углублений незначительна и составляет 10-15%. При еще большем увеличении размеров образцов до 120 мм² наблюдалось сближение величины усилия сдвига для рельефной поверхности (кривые 6, 7, 8) и известного предметного столика с углублениями в виде канавки (кривая 9), и разница величины усилия сдвига уменьшилась и составила около 30%, хотя сама величина усилия сдвига возросла. Но кроме усилия сдвига необходимо принимать во внимание размер углублений, поскольку он определяет величину прогибов образцов под ними.

Оценим теперь, насколько уменьшается величина прогибов образцов под участками с пониженным давлением (рельефными углублениями на поверхности столика). Величина прогиба при равнораспределенной нагрузке на балочку, покоящуюся на двух опорах, прямо пропорциональна кубу ее длины (Н.М.Беляев. «Сопротивление материалов», изд. «Наука», Москва, 1965 г., стр.360). Тогда при уменьшении значения характерной длины от 1 мм (ширина вакуумных канавок предметного столика установки FC-6) до 20 мкм (характерное расстояние между углублениями рельефной поверхности для кривой 7, Фиг.2), величина прогиба уменьшится на четыре порядка. Оценка с использованием формулы для величины прогиба круглой мембраны с опертыми краями (Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. «Теория упругости». Теоретическая физика, т.7, стр.68, 1987 г.) дает еще большую величину. Сама величина прогиба в известных предметных столиках по нашим оценкам, например для кристаллов толщиной 0,1 мм, при длине провисающего участка порядка 1 мм, составляет порядка 10 мкм, что уже выходит за пределы упругих деформаций и, следовательно, может привести просто к разрушению материала. Таким образом, использование рельефной поверхности предметного столика с размером углублений более 100 мкм становится нецелесообразным.

Изобретение относится к области микроэлектронной техники и может быть использовано при разработке технологического и тестового оборудования. Изобретение направлено на обеспечение возможности фиксировать на одном и том же предметном столике образцы различного размера и конфигурации без ухудшения предельно допустимых усилий сдвига, при этом на несколько порядков уменьшаются прогибы образцов под вакуумными областями, что позволяет работать с утоненными образцами. Упрощение конструкции значительно упрощает технологию изготовления предметного столика. Указанный технический результат достигается тем, что в предметном столике, состоящем из основания с плоской поверхностью, на которой выполнены углубления и отверстие, ведущее к вакуумному насосу, углубления соединены с отверстием, ведущим к вакуумному насосу, и углубления выполнены в виде сплошного рельефа с размером углублений от 3 до 100 мкм, кроме того, все углубления соединены между собой. 2 ил.

Предметный столик, состоящий из основания с плоской поверхностью, на которой выполнены углубления и отверстие, ведущее к вакуумному насосу, причем углубления соединены с отверстием, ведущим к вакуумному насосу, отличающийся тем, что углубления выполнены в виде сплошного рельефа с размером углублений от 3 до 100 мкм, кроме того, все углубления соединены между собой.