DE19753492A1 - Verbessertes Ritzen und Brechen von schwer zu ritzenden Materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Herstellen von Halblei­ terbauelementen. Insbesondere ist die Erfindung auf das Trennen von Bauelementen gerichtet, die auf einem monolithi­ schen Substrat gewachsen sind.

Blau/Grün-Licht-emittierende-Bauelemente sind dünne, (∼1-10 Mikrometer) GaN-basierte Verbindungsbauelementstrukturen einer hexagonalen Kristallsymmetrie ("Wurtzit"), die auf ei­ nem dicken Saphirsubstrat (∼100-500 Mikrometer dick, plattenförmige Substratscheiben, die Durchmesser zwischen 50 und 150 Millimeter aufweisen) aufgewachsen werden. Die Bauelemente sind oftmals quadratisch, typischerweise 200-500 Mikrometer auf einer Seite. Es gibt daher viele derar­ tige aufeinanderfolgende, einzelne Bauelemente, die auf ei­ nem Substrat hergestellt sind. Die Trennung der Bauelemente (d. h. die Vereinzelung der "Scheibe" in einzelne "Chips") ist sehr schwierig, da GaN und Saphir fast so hart sind wie Diamant, und da die natürlichen Spaltebenen des Saphirs nicht in einem rechten Winkel zu der Oberfläche stehen. Folglich sind die vereinzelnden Bruchebenen durch die Schei­ ben nicht glatt, flach und vertikal, was das Bauelementver­ halten und die Zuverlässigkeit beeinflussen wird.

Ein bekanntes Verfahren zum Trennen der Bauelemente besteht darin, die Bauelemente auseinanderzusägen. Saphir- und GaN-ba­ sierte-Verbindungen sind derart hart, daß die Sägeblätter unbrauchbar kurze Lebenszeiten (typischerweise < 250 lineare Zentimeter) zum Sägen von kleinen Bauelementen haben. Zu­ sätzlich erfordert das Sägen breite Sägeschlitze, wobei der Betrag, der beim Sägen verbraucht wird, ∼< 150 Mikrometer ist. Das Sägen bewirkt ferner ein übermäßiges Absplittern und unerwünschte Sprünge, die sich in die aktive Region der Bauelemente ausbreiten, was zu einem schlechten Verhalten und einer schlechten Zuverlässigkeit derselben führt.

Ein weiteres bekanntes Verfahren besteht darin, den Chip mit einem Laser auseinanderzuschneiden. Ungünstigerweise erfor­ dert Saphir sehr kurze lasende Wellenlängen (< 230 Nanome­ ter), derart, daß die Laserverwendung zu einer zu großen Wärme führt. Die Chips sind einer unerwünschten thermischen Ausdehnung ausgesetzt, und die Trennungsqualität ist der durch Sägen erhaltenen Trennungsqualität nicht besonders überlegen.

Bei einem weiteren bekannten Verfahren, "Ritzen und Bre­ chen", wird eine Ritzlinie verwendet, um die Trennung des Chips zu definieren, und die Chips werden entlang dieser Linie durch Ausbreitung eines Bruchs, der durch die Ritz­ marke eingeleitet wird, getrennt. Dieses Verfahren ist mit Bezug auf den Durchsatz und die Kosten kaum adäquat, da die "Straße" zwischen den Chips in der Größenordnung von 50-150 Mikrometer liegt, was eine wesentliche Raummenge auf einer Scheibe ist. Ferner weist auf derartigen harten Ober­ flächen ein Ritzwerkzeug typischerweise eine nutzbare Le­ benszeit von weniger als 500 linearen Zentimetern auf.

Alle vorher erwähnten bekannten Verfahren verbrauchen teures Substratmaterial und erzeugen Bruchoberflächen einer inadä­ quaten oder kaum adäquaten Glätte. Es ist ein Verfahren wün­ schenswert, das effizient kostspielige, schwer zu ritzende Substrate verwendet. Es wäre ein weiterer Kosten- und Durch­ satz-Vorteil, wenn das Verfahren die Lebenszeit des Schnei­ dewerkzeugs verlängern würde. Schließlich würde ein Ver­ fahren, das saubere, glatte und vertikale Bruchebenen er­ zeugt, das Verhalten und die Zuverlässigkeit der Endbauele­ mente verbessern.

Ähnliche Probleme werden angetroffen, wenn versucht wird, Bauelemente aus anderen schwer zu spaltenden Materialsy­ stemen zu trennen, wie z. B. GaN-basierte Bauelemente, die auf einem GaN-Substrat (oder anderen Substraten als Saphir) aufgewachsen sind; einige Glasarten, die beim Herstellen von Flachbildschirmen verwendet werden; oder andere Glas- oder Quarz-basierte Bauelemente (z. B. scheibenverbundene Nacht­ sichtsysteme). Andere Problemsysteme sind schwer zu ritzende Halbleiter, wie z. B. Galliumphosphid (GaP) oder Verbin­ dungshalbleiter, derart, daß das Substrat oder die Scheiben­ schicht, auf der das Ritzen eingeleitet wird, aus einem an­ deren Materialsystem als einige andere Schichten in dem Bau­ element besteht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Ritzen und Brechen von schwer zu ritzenden Materialien zu schaffen, wobei das Verfahren effizient kost­ spielige, schwer zu ritzende Substrate verwendet, eine ver­ längerte Lebensdauer des Schneidewerkzeugs schafft und sau­ bere, glatte, vertikale Bruchebenen erzeugt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Ritzen und Bre­ chen gemäß Anspruch 1 gelöst.

Ein schwer zu ritzendes Substrat mit einer Bauelementober­ fläche wird (z. B. durch Prozesse, wie z. B. dem Läppen, Schleifen, Ätzen, Abheben, etc.) auf eine Dicke, die für ein späteres Spalten geeignet ist, gedünnt. Auf einer Oberfläche des Substrats wird eine Schicht aus Dielektrikum oder einem anderen nicht-duktilen Material ("Beschichtung") aufge­ wachsen oder aufgebracht.

Wenn das Ritzen auf der Oberfläche dieser "Beschichtung" durchgeführt wird, spielt das "Beschichtungs"-Material die Rolle einer Ritzerleichterungsschicht: Dieselbe wird derart ausgewählt, daß dieselbe weicher ist als das Substrat, und daß dieselbe eine saubere Ritzlinie aufnimmt. Die Dicke der­ selben wird optimiert, um eine gute Bruchausbreitung zu er­ zeugen. Ein optionale Metallschicht wird über der Ritzer­ leichterungsschicht plaziert. Diese Metallschicht dient da­ zu, um die Wärme zu zerstreuen, die durch das Chip-Ritzen und -Trennen erzeugt wird, sowie dazu, um das Schneidewerk­ zeug vor einer piezoelektrischen Entladung abzuschirmen.

Wenn das Ritzen nicht auf der Oberfläche der "Beschichtung" durchgeführt wird, sondern statt dessen auf der anderen Seite des Substrats, werden die "Beschichtungs"-Dicke und -Härte derart ausgewählt, so daß die Ritzoberfläche in einen opti­ malen Spannungszustand für eine saubere Bruchausbreitung gesetzt wird. Eine optionale Schicht aus Metall wird über die Oberfläche, die geritzt werden soll, plaziert. Diese Metallschicht dient dazu, um die Wärme zu zerstreuen, die durch das Chip-Ritzen und -Trennen erzeugt wird, sowie dazu, um das Schneidewerkzeug vor einer piezoelektrischen Entla­ dung abzuschirmen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A-C Querschnitte einer Scheibe mit einem verbes­ serten Ritzen und Brechen,

Fig. 2A-2B Prozeßflußdiagramme der vorliegenden Erfin­ dung.

Fig. 1A-C stellen Querschnitte einer Scheibe mit einer verbesserten Bruchausbreitung dar. In Fig. 1A wird eine di­ elektrische Schicht 2 auf der gedünnten Rückseite eines schwer zu ritzenden Substrats 4 aufgewachsen, wie z. B. Sa­ phir, oder Galliumnitrid (GaN) oder Galliumphosphid (GaP). In Fig. 1B wird die dielektrische "Beschichtung" über der Bauelementseite 4a des Saphirsubstrats aufgebracht. In Fig. 1A als auch 1B wird eine optionale Metallschicht 6, wie z. B. Aluminium, über dem Dielektrikum 2 aufgebracht. In beiden Fig. 1A und 1B tritt das Ritzen auf der gedünnten Substrat­ seite auf, die eventuell mit Metall beschichtet ist. Eine optionale zweite dielektrische Schicht und eine zweite Me­ tallschicht können auf der gegenüberliegenden Seite (nicht gezeigt) aufgebracht werden. In Fig. 1C ist eine einzelne dielektrische Schicht 8 auf der gedünnten Seite aufgebracht, während das Ritzen auf der Bauelementseite auftritt, die unbeschichtet bleibt.

Jedesmal, wenn das Ritzen auf der "Beschichtungs"-Seite durchgeführt wird, spielt die "Beschichtung" die Rolle einer Ritzerleichterungsschicht: Dieselbe wird ausgewählt, so daß dieselbe ein ohne weiteres spaltbares Material ist, das wei­ cher als Saphir ist, wie z. B. Siliziumdioxid (SiO₂). Als Resultat ist die Ritzlinie auf dem "Beschichtungs"-Material sauberer und besser definiert als auf Saphir. Eine saubere Brucheinleitung führt zu einer guten Bruchausbreitung für Brüche durch die harten Materialien. Zusätzlich wird das Brechen ferner durch Aussetzen der Scheiben einer Spannung, die einer sauberen Bruchausbreitung förderlich ist, unter­ stützt. Als Resultat wird die Lebensdauer des Ritzwerkzeugs verlängert, und dies führt zu Ausbeuteverbesserungen und reduzierten Herstellungskosten.

Die optionale Metallschicht 6 dient dazu, um das Chipschnei­ dewerkzeug zu schmieren, den Aufprall des Werkzeugs auf das Substrat zu dämpfen, und um Wärme zu zerstreuen. Wärme, die durch den Schneideprozeß erzeugt wird, trägt zur Werkzeug­ abnutzung bei, wodurch die Ritzqualität verringert wird. Zusätzlich wirkt diese Schicht dazu, um das Werkzeug vor einer piezoelektrischen Entladung abzuschirmen, die ferner den Verschleiß erhöhen wird.

Während die Ritzerleichterungsschicht 2 Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumnitrid, Silizium-oxy-nitrid oder ein vergleichbares Dielektrikum oder eine nicht-duktile Schicht sein kann, werden Siliziumoxid oder Siliziumdioxid bevor­ zugt. Das schwer zu ritzende Substrat 4 kann alternativ ein Halbleiter, d. h. GaP, Silizium, Siliziumkarbid oder GaN, ein Spinell, ein Glas, d. h. G7, oder eine große Quarzplatte sein.

Die Fig. 2A und 2B stellen Prozeßflußdiagramme dar, die auf die vorliegende Erfindung gerichtet sind. In einem Schritt 30 wird die Rückseite des Substrats auf eine Dicke von etwa 50 bis 150 Mikrometer für die meisten Materialsysteme ge­ läppt. In einem Schritt 40 wird eine dielektrische Schicht mit einer Dicke, die typischerweise zwischen 5-1000 Nano­ meter liegt, über die gewünschte Seite des Substrats ge­ wachsen. Die dielektrische Schicht kann durch Sputtern (Zer­ stäuben), Abscheidung, Ionenstrahlabscheidung, chemische Dampfabscheidung (CVD), eine plasmaverbesserte CVD aufge­ bracht oder sogar auf Glas aufgeschleudert werden. In einem Schritt 50 wird die optionale Metallschicht auf der Ober­ fläche, die geritzt werden soll, aufgebracht. In einem Schritt 50 wird die Scheibenstruktur geritzt und dann ent­ lang der Ritzlinien gebrochen.

Die dielektrische oder nicht-duktile Schicht wird vorzugs­ weise auf der ausgewählten Oberfläche aufgebracht, derart, daß die zu ritzende Oberfläche unter einer Spannung steht. Dies reduziert, durch Fördern einer saubereren Bruchaus­ breitung und durch Reduzieren des Chipkantenabsplitterns, die "Straße", die zwischen den Chips erforderlich ist.

Der Hauptunterschied zwischen den Prozessen, die in den Fig. 2A und 2B gezeigt sind, liegt in der Rolle des Dielektrikums oder der nicht-duktilen Schicht ("Beschichtung"). In Fig. 2A ist die "Beschichtung" relativ weich (d. h. Siliziumdioxid), und dieselbe ermöglicht primär ein sauberes Ritzen und eine Brucheinleitung (Ritzerleichterung): Das Setzen der Ritz­ oberfläche unter eine geeignete Spannung ist ein sekundärer Gesichtspunkt. In Fig. 2B besteht der Zweck der "Beschich­ tung" darin, die gegenüberliegende Ritzoberfläche unter eine geeignete Spannung für eine optimale Bruchausbreitung nach einer Brucheinleitung (Brucherleichterung) zu setzen: Das Material kann dann ziemlich hart (d. h. Siliziumnitrid) sein, da das Ritzwerkzeug nie mit demselben in Berührung kommt.

Schließlich ist es möglich, die Prozesse, die in den Fig. 2A und 2B gezeigt sind, durch Beschichten der zu ritzenden Oberfläche mit einem weicheren, spaltbareren Material und durch Beschichten der anderen Seite mit einem härteren Ma­ terial zu kombinieren; die Dicke des weicheren "Beschich­ tungs"-Materials und des härteren "Beschichtungs"-Materials werden jeweils für die Brucheinleitung (Ritzerleichterung) und Bruchausbreitung (Brucherleichterung) optimiert.

Claims (7)

1. Verfahren zum Ritzen und Brechen mit folgenden Schrit­ ten:
Dünnen eines schwer zu ritzenden Substrats (30);
Anbringen einer ersten nicht-duktilen Schicht über eine der zwei Seiten des dünnen, schwer zu ritzenden Sub­ strats, wobei das Substrat eine Ritzseite und eine Nicht-Ritzseite (40A, 40B) aufweist;
Ritzen von Ritzlinien auf der Ritzseite des schwer zu ritzenden Substrats; und
Brechen des Substrats entlang der Ritzlinien.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das schwer zu rit­ zende Substrat aus einer Gruppe ausgewählt wird, die Saphir, Silizium, Siliziumkarbid, Galliumnitrid (GaN), Galliumphosphid (GaP), Glas und Quarz aufweist.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste nicht-duktile Schicht aus einer Gruppe ausgewählt wird, die Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Sili­ ziumdioxid, Siliziumnitrid und Silizium-oxy-nitrid auf­ weist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, das ferner den Schritt des Überziehens der Ritzseite des schwer zu ritzenden Substrats mit einer Metallschicht vor dem Schritt des Ritzens (40A, 40B) aufweist.

5. Verfahren zum Ritzen und Brechen gemäß einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, das ferner den Schritt des Plazierens einer zweiten nicht-duktilen Schicht über der anderen der zwei Seiten des schwer zu ritzen­ den Substrats (40A, 40B) aufweist.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem die zweite nicht­ duktile Schicht aus einer Gruppe ausgewählt wird, die Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Silizium­ dioxid, Siliziumnitrid und Silizium-oxy-nitrid auf­ weist.

7. Verfahren gemäß einem beliebigen der vorhergehenden An­ sprüche, das ferner den Schritt des Überziehens der Ritzseite des schwer zu ritzenden Substrats mit einer Metallschicht vor dem Schritt des Ritzens (50A, 50B) aufweist.