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1 - Introduction
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La découpe des substrats de semi-conducteurs et matériaux connexes est une opération délicate de mise en œuvre de part la finesse et la fragilité des produits à découper. La découpe intervient afin de séparer les puces après fabrication ou d'isoler des motifs particuliers dans le cadre de dépôts ou de gravures destinés à la recherche.
Les substrats peuvent être de plusieurs natures, les plus courants sont en matériaux semi-conducteurs (Silicium, AsGa, composés III-V…) mais il existe aussi des céramiques ou des verres qui supportent des motifs microélectroniques.
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Les substrats sont découpés couramment suivant deux procédés.
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- Le clivage ou rayure diamant puis casse des morceaux, technique utilisée dans la découpe classique des verres, elle concerne surtout les substrats très fins (100µm) et certains matériaux (AsGa notamment). Cette découpe n'est pas la plus courante et nous ne nous étendrons pas dessus. Citons dans les avantages la découpe parfaite (pas d'écaillage), dans les inconvénients la difficulté de mise en œuvre et d'automatisation, la limite en terme d'épaisseur. Cette technique devient peu à peu remplacée par une découpe laser, efficace mais onéreuse.
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- La découpe classique fait appel à des machines de découpe (Disco, ADT, TSK, Loadpoint, Bernet, Meyer-Burger…) dans lesquelles une broche tourne à vive allure (30ktours/min) entraînant un disque de découpe ou "lame de découpe". Le mouvement X-Y de la pièce à découper est géré par la machine, de même que le mouvement Z qui assure la pénétration dans le substrat. La pièce à découper est maintenue soit par un montage rigide de type cire thermodurcissable (cas des céramiques et matériaux durs), soit par un film plastique adhésif (cas des wafers et substrats minces).
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2 - Films plastique utilisés pour la découpe
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Ces films adhésifs sont en quelque sorte du "Scotch" sur lequel on vient coller le substrat à découper afin de le maintenir.
S'agissant de matériaux de microélectronique particulièrement fragiles et parfois très chers, les films sont évidemment un peu spéciaux dans le sens caractéristiques techniques, propreté, évolution de l'adhésion, contamination, expansibilité et dimensions (largeur, épaisseur).
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Ils sont dans la plupart des cas présentés en rouleaux de 100m de longueur et de largeur variable selon la taille du substrat. Ils existent deux grandes familles
: Les
films standards (adhésif standard) et les
films à adhésif sensible aux UV.
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Le but de ces derniers étant d'offrir une très forte adhésion pendant l'opération de découpe et une adhésion faible (après exposition de l'adhésif aux UV) après découpe lors du prélèvement. Cela est particulièrement important dans les cas des puces et substrats très fins et fragiles (application cartes à puces, mobiles …).
Ces films plastiques sont tendus sur un cadre rigide que l'on appelle couramment un "frame", ils sont collés sur le métal du cadre qui est lui-même maintenu par magnétisme pendant la découpe.
Certains films peuvent être expansés après découpe afin de faciliter le prélèvement des puces fragiles.
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3 - Lames de découpe métal & résine
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Les matériaux de la microélectronique, plaquette de semi-conducteurs (wafer), substrats céramique ou verre fin revêtu de couches électroniques ou autres matériaux d'épaisseur max 2 à 3 mm peuvent être découpés à l'aide de machines de découpe spécifiques et de lames adaptées.
Ces lames sont des disques diamantés aux caractéristiques physiques et aux propriétés différentes selon la nature des matériaux, voire les spécifications de découpe.
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Les deux grandes familles de disques de découpe pour les matériaux semi-conducteurs sont ce que l'on appelle traditionnellement les "lames métal" et les "lames résine". La différence entres ces deux technologies réside dans le liant ou "matrice" qui emprisonne et maintient les grains de diamant.
Ce liant est soit métallique et permet de découper des matériaux de dureté faible ou moyenne, soit à base résine, et il permet alors de découper des matériaux durs et cassant (verre, céramique…).
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Les "lames métal" sont disponibles en pratiquement une seule taille (diamètre extérieur 55,55mm, diamètre intérieur 19,05mm) et plusieurs épaisseurs de 10µm à 150µm et+. Elles sont "flasquées" c'est-à-dire prêtes à l'emploi.
On les remplace après usage et découpe d'un certain nombre de traits. Leur granulométrie est variable de 0,5µm à presque 100µm.
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Les "lames résine" sont des anneaux de diamètre extérieur/intérieur soit similaire aux lames métal (ce qui permet d'utiliser le même équipement de découpe), soit dans une gamme de 50mm à 116mm pour le diamètre extérieur (il faut alors des équipements qui acceptent ces diamètres).
Les lames résine se montent dans des flasques dont les dimensions déterminent le dépassement nécessaire fonction de l'épaisseur de matériau. Les granulométries disponibles sont plus élevées que les lames résine (de 0,5 à 150µm).
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Le principe des lames à structure résine est différent de celles à structure métal. Dans le cas de ces dernières (utilisées pour des matériaux durs) on cherchera à avoir en permanence des grains de diamant "frais", c'est-à-dire non émoussés. Le liant résine permet d'éjecter les grains de diamant usés au fur et à mesure de la découpe et d'en présenter de nouveaux plus tranchants.
Le revers est bien évidemment une usure de la lame, d'où la mise en flasque pour un remplacement aisé lorsque le dépassement ou les dimensions sont devenus hors tolérance.
Enfin il existe une série de lames métal de type annulaires, pour montage en flasque, utilisée pour des besoins spécifiques.
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4 - Equipements de montage avant découpe, d'irradiation UV, d'expansion
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Les plaquettes ou substrats à découper sont encollées sur un film plastique adhésif, lui-même tendu sur un cadre métallique ou frame. L'ensemble est fixé sur la machine de découpe et maintenu le plus souvent par un système à la fois de vide pour la plaquette et magnétique pour le frame.
Cette opération pour être effectuée parfaitement ( le film soit être tendu et il ne doit pas y avoir de bulles) nécessite des équipements qui sont soit complètement automatisés pour les grosses cadences de production soit manuels voire semi-automatiques pour les productions plus petites ou pour les labos.
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Dans le cas d'utilisation des films à adhésif sensible aux UV, il est nécessaire d'insoler la partie adhésive après découpe afin de faire tomber la valeur d'adhésion à des niveaux faibles.
Il existe plusieurs équipements destinés à cette insolation UV selon taille des plaquettes, puissance, automatisation…
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Après découpe, lorsque l'on récupère le cadre métallique sur lequel sont encore collées les puces séparées, il est parfois utile de séparer les puces plus largement afin de pouvoir les prendre sans dommages pour les puces voisines.
L'expansion consiste à séparer les puces après découpe et obtenir des séparations beaucoup plus grandes (jusqu'à 1mm). Elle peut être faite de manière automatique ou manuelle Les films adhésifs offrent en général un grand pouvoir d'élongation jusqu'à 300 ou 400%.
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5 - Accessoires de découpe
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Autour de ces opérations de découpe, il existe des produits utilisés comme consommables de découpe, notamment évidemment les lames de découpe et les films adhésifs dont nous avons parlé plus tôt. Egalement les cadres métalliques et les anneaux plastiques (qui sont utilisés dans le cas en général d'expansion).
Les flasques nécessitent de l'entretien, ils peuvent être remplacés périodiquement (un flasque dure plusieurs années si bien utilisé) et être maintenus en bon état par des systèmes simples de polissage manuel |
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Pour découper efficacement, sans écaillage excessif, une lame de découpe, particulièrement les lames résine, doit être "dressée" dans un matériau autre que le substrat à découper. Le dressage permet d'assurer la concentricité parfaite de la lame et l'intimité absolue avec son flasque de maintien.
Ces deux conditions assurent un trait de bonne qualité (qui dépend entre autre évidemment de l'état de l'équipement de découpe lui-même). Des blocs de dressage sont utilisés pour ces objectifs. Ils permettent de recevoir les premiers traits avant le passage au substrat proprement dit.
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L'aspect antistatique est important dans ces opérations de découpe. Les films plastique génèrent des charges d'électricité statique lors des manipulations. Ces charges sont dangereuses pour les composant microélectroniques.
Les équipements de montage sont équipés de systèmes antistatiques optionnels. Des "souffleurs" d'air ionisé (antistatique) sont aussi utilisés. De même les films adhésifs eux-mêmes deviennent antistatiques pour minimiser ces risques de dommages aux composants.
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Caractérisation Electrique des couches semi-conductrices
