CN87107167A - 在半导体功率元件的半导体薄片边缘上开环形槽的方法 - Google Patents

在半导体功率元件的半导体薄片边缘上开环形槽的方法 Download PDF

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Abstract

一种在功率半导体元件的半导体薄片(5)边缘上开环形槽(8)的方法，该方法首先将边缘表面磨削，然后用边缘制成相应轮廓线的成形砂轮(3)一次操作开出槽(8)。
采用粒度适度、结合方式适当的金刚砂粒制成的金刚砂轮可以获得高生产率。

Description

本发明是关于半导体功率元件的制造，特别是关于在半导体功率元件的半导体薄片边缘上开环形槽的方法，其中环形槽是靠机械方法磨削在半导体薄片上的。
在半导体功率元件的制造工艺中，设环形槽作为具高阻断能力的对称闸流晶体管的半导体薄片边缘轮廓的作法是长时间所周知的事了。
为了在大量生产中开这类槽，迄今提出了各种各样的方法。因此，举例说，从西德专利DE-AS1，439，215中可以知道用适当的酸或喷砂法在半导体薄片上刻蚀或磨削沟槽的作法。在该同一个专利公布中指出了这样一点，即无需更多的细节措施，也可采用砂轮之类的纯机械方法开这类槽。
西德公开专利1，764，326更详细介绍了这类机械方法及其应用，该专利在连续磨削操作中采用了各种不同等级厚度的磨丝或磨板。
但实际上，实践证明，用机械方法切除半导体材料，特别需要极其复杂的加工操作（如西德公开专利1，764，326所示的那样），否则效果就不好，因为半导体薄片对机械加工是极为敏感的。
因此，过去在大量生产带槽形边缘轮廓的半导体功率元件时，只能采用上面提到的喷砂法。然而，喷砂法，特别是在半导体薄片的厚度增大时，具有下列很大的缺点：
-加工时间随着薄片厚度的增加而大幅度延长。甚至在1100微米厚度的情况下，也已达到能方便从事的界限。
-随着喷砂时间的延长，喷砂过程中需用的保护漆的清除量增多。从大约1300微米的薄片厚度上，甚至用两层保护漆涂层也不再够用，因此阻断电压为8-10千伏的硅可控整流器现在已不按这种方法加工;
-喷砂法的容许偏差保证不了沟槽的任何位置和形状可精确地再现。
有鉴于此，极其希望能有一种适宜大量生产的机械方法可以代替以前使用的喷砂法来加工沟槽。
因此本发明的目的是创造一种操作相当简单、在大量生产中能大量生产出有效元件的机械开槽法。
上述目的是用本说明书开端所述的那种方法加以实现的，即
甲）首先，从表面磨削半导体薄片的边缘;
乙）然后，采用在边缘上相应制成一定轮廓的成形磨削砂轮在一次操作中就磨削出沟槽。
按照本发明将轮廓磨削操作分为表面磨削和沟槽磨削两步工序的作法，沟槽极其敏感的边缘部分就可以分别处理，从而可按简化了的操作在半导体薄片上开出实际的沟槽。
根据本发明的一个最佳实施例，表面磨削工序又分为两步，第一步是用粗磨砂轮磨掉多余的半导体材料，第二步是用精磨砂轮精磨已磨削出的边缘表面。
砂轮最好采用金刚石浓度约为4.4克拉/立方厘米的各种不同粒度的金刚石砂轮。尤其是如能在粗磨砂轮和成形砂轮中使金刚砂粒采取金属结合方式，在精磨砂轮中使金刚砂粒埋置在合成结合剂中，则更为有利。
另外一些实施例则介绍了本发明的辅助权项。
下面结合附图参照实施例更详细介绍本发明的内容。附图中：
图1是粗磨操作的示意图;
图2是精磨操作的示意图;
图3是沟槽磨削或成形磨削的示意图;
图4是带槽的半导体薄片的剖面详图。
附图零件编号
1.粗磨砂轮    6.半导体薄片轴
2.精磨砂轮    7.安装架
3.成形砂轮    8.沟槽
4.砂轮轴    9.pn结
5.半导体薄片    10.边缘钝化部分
图1至图3示意显示了根据本发明方法的一个实施例的各加工工序的先后顺序。
先从全面扩散过的通常直径约几厘米、厚度约1000微米、基本上呈圆形的半导体薄片5开始。元件内部结构形成之后，半导体薄片5上会余留下一个边缘，这个边缘在元件制成后必须予以除去。
该边缘是在最初粗磨时用粗磨砂轮1除去的。粗磨砂轮1最好与精磨砂轮2和成形砂轮3一起配置在砂轮公共轴4上，按图中箭头所示的方向转动。
半导体薄片5可转动地装在与砂轮轴4平行运转的半导体薄片的轴6上的安装架7，最好以3毫米/分的进给速率推进，其端面顶住粗磨砂轮1的端面。
在磨削操作期间，粗磨砂轮1以一定的转速绕砂轮轴转动，使磨削速率（即其圆周速率）约为35米/秒。
为了确保尽量均匀地磨掉半导体材料，半导体薄片5在磨削操作的过程中一方面平行于转轴（即平行半导体薄片轴6或砂轮轴4）并超出粗砂轮1边缘作往复运动（图1中用双向箭头表示），一方面以相反于粗砂轮1的转向转动，最好以80转/分的转速转动。
实践证明，在这里所述的全部磨削操作中，以加有保护磨具用的防锈剂的水作为冷却剂非常有效。
要延长粗砂轮1的使用寿命，关键在于在粗磨过程中迅速清除磨削下来的料屑。因此粗磨砂轮最好采用在金属结合剂中含有平均粒径为25微米的金刚砂粒的金刚石砂轮。
在根据图1所示的粗磨操作过程中在很短的时间内就大部分磨掉半导体薄片多余的边缘层之后，接着就用图2所示的精磨砂轮进行精磨操作。
在精磨过程中，半导体薄片和精磨砂轮2的转速、切削速率和往复运动都与粗磨过程的一样，但进给速率不一样，约为1毫米/分，显然较低于粗磨过程。
这特别是与两种砂轮（精磨砂轮2和粗磨砂轮1）具有不同的性能有关。虽然这里精磨砂轮也是金刚石砂轮，但所使用的是平均粒径为20微米的金刚砂粒。但更重要的不同点在于，为了防止半导体5的边缘碎裂，精磨砂轮2采取较软的合成结合剂。另一方面，尺寸稳定性和使用寿命对精磨砂轮2的情况来说是不那么重要的，因为在精磨过程中，清除磨屑料的量较少。
精磨时是以这样的方式对半导体薄片的边缘表面进行精磨的，使半导体晶体中只出现较小的缺陷，而这些缺陷在以后的刻蚀工序中是可彻底加以消除的。
最后，在精磨工序之后，就进入槽8的实际磨削工序（图3）。该磨削工序是用边缘按槽形构成一定的轮廓的成形砂轮3一次操作完成的。不用说，在该磨削过程中，半导体薄片5是不作任何横向的往复运动的。这里进给速率也是1毫米/分。成形砂轮3还是金刚石砂轮，金刚砂粒的平均粒径为16微米，采用金属结合剂结合方式。这里之所以仍然选用金属结合剂结合方式是为了使砂轮在经受从槽中清除的较大磨屑料方面具有足够长的使用寿命，而最重要的也是为了确保轮廓线在尺寸上所需的稳定性。
将所有三个砂轮1、2和3配置在砂轮的公共轴4有这样的好处，即加工过程中可达到很高的尺寸精确度。此外，实践证明，全部砂轮采用约为4.4克拉/立方厘米的金刚砂粒浓度是有利的。
我们按本发明的方法对阻断电压分别为4400和8000伏的闸流晶体管薄片进行了周密的试验。本试验中半导体薄片的相应厚度分别为940微米和1000微米。这里采用了商名为“Superfix”的金刚石砂轮，例如，可从瑞士碧尔市CH-2500    Diametal有限公司购得。为了展示特殊精密磨削的重要性，半导体薄片部分使用金属结合剂结合的精磨砂轮，部分使用合成结合剂结合的精磨砂轮进行精磨，结果如下：
总数    阻断
用金属结合剂结合的精砂轮精磨    10    0
用合成结合剂结合的精砂轮精磨    60    42
8000伏元件：
用合成结合剂结合的精砂轮精磨    17    16
这些结果清楚地显示了精磨工序对制造有效的即阻断元件的重要性。
经过上述磨削程序之后，就按一般的方式刻蚀和钝化半导体薄片。图4是这种8000伏成品元件边缘区域的截面图。从图中可以清晰地辨认出槽8连同其上部的边缘钝化部分10。虚线表示关键的pn结9。
总的说来，本发明提供一种在具有高阻断能力的半导体元件上开槽的方法，这种方法做起来既简单，生产效率也高，结果的再现性又好。

Claims (10)

1、一种在半导体功率元件的半导体薄片(5)边缘上开环形槽(8)的方法，该方法是靠机械磨削将槽刻在半导体薄片(5)上的，其特征在于：
甲)首先，表面磨削半导体薄片(5)的边缘；
乙)然后，采用边缘相应制成一定轮廓的成形砂轮(3)一次操作磨削出沟槽。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在磨削半导体薄片（5）表面的过程中，
甲）第一步先用粗磨砂轮（1）磨除多余的半导体材料，
乙）第二步再用精磨砂轮（2）精磨已形成的边缘表面。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
甲）全部磨削操作均使用金刚石砂轮;且
乙）在磨削操作过程中采用加有防锈剂的水作为冷却剂。
4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
甲）粗磨砂轮（1）和成形砂轮（3）的金刚砂粒以金属结合剂结合;
乙）将精磨砂轮（2）的金刚砂粒嵌入合成结合剂中。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
甲）所有砂轮上金刚砂粒的浓度约为4.4克拉/立方厘米;
乙）粗磨砂轮（1）含25微米平均粒径的金刚砂粒，精磨砂轮（2）含20微米平均粒径的金刚砂粒，成形砂轮则含16微米平均粒径的金刚砂粒。
6、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所有砂轮（1，2，3）都配置在一公共砂轮轴（4）上。
7、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，磨削操作是以35米/秒的磨削速率进行的。
8、根据权利要求7所述的方法，其特征在于，
甲）在磨削过程中，半导体薄片（5）以相反于砂轮（1，2，3）的转向转动;和
乙）半导体薄片（5）的转速约为80转/分。
9、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在表面磨削过程中，半导体薄片（5）超出各砂轮（1，2）的边缘平行于转轴作往复运动。
10、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，半导体薄片（5）朝砂轮进给的速率，在粗磨时约为3毫米/分，在精磨时约为1毫米/分。
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