Микромир под объективом: как делают фотографии кристаллов микросхем

Для того, чтобы «открыть» корпус микросхемы, её нагревают до температуры 350−400℃. Сделать это можно на обычной электрической плитке. В течение 20−30 секунд корпус трескается, и из него можно аккуратно достать кристалл. Также можно зажать корпус в тисках и «отлепить» от него кристалл с помощью термофена.

Кристалл без корпуса не будет сам по себе сиять и переливаться разными цветами. Его нужно предельно аккуратно подготовить.

Большинство микросхем корпусируются по методу flip chip. При производстве кристаллы переворачивают и приваривают к выводам платы корпуса контактными площадками, разбросанными на поверхности кристалла. Так делают, чтобы уменьшить длину (то есть индуктивность) проводов. На высокой тактовой частоте это критично, но и стоит такой метод корпусирования дороже, чем wire bonding.

При корпусировании по методу wire bonding сигналы от контактных площадок кристалла золотыми проволочками из технического золота развариваются к контактам корпуса. Такие кристаллы не переворачивают, а корпуса для них обходятся дешевле. Технология применяется там, где требования к рабочим параметрам микросхемы не такие жесткие, как в телефонах, компьютерах и другом высокопроизводительном «железе».

При подготовке к съёмке с кристаллов микросхем, корпусированных по методу flip chip, убирают очевидно лишнее — шарики припоя и клей. Для этого используют смоченный водой микрошлифовальный круг зернистостью 60 или 30 микрон. Шлифовку выполняют вручную и останавливают, когда на поверхности кристалла проступают первые структуры. Для микросхем, корпусированных по методу wire bonding, этот этап не нужен.

Дальше кристалл заливают эпоксидной смолой: так его будет гораздо удобнее шлифовать. Заливку делают на небольшом листе стекла, поскольку ровность рабочей поверхности, на которой лежит кристалл, чрезвычайно важна. Стекло смачивают водой и накрывают небольшим листом прозрачного тонкого пластика, из-под которого убирают все пузырьки воздуха. С помощью двустороннего скотча на пластик приклеивают кристалл, после чего заливают его миллиметровым слоем прозрачной эпоксидки.

Когда эпоксидная смола застывает, кристалл вырезают из неё с отступом в пару миллиметров по каждой стороне и снимают с него прозрачный пластик и скотч. Дальше приступают к шлифовке и полировке. Здесь очень важно периодически проверять, что шлифуемая поверхность идеально ровная, иначе разные ее части будут «стираться» неравномерно. Ровность проверяют с помощью метода светового зазора, приставив лезвие к поверхности и посмотрев на источник света. А выравнивают кристаллы с использованием термофена при температуре 100−120°C.

Шлифовку начинают с микрошлифовального круга зернистостью 30 микрон. Остановиться нужно, когда структуры на поверхности кристалла станут более-менее равномерно видны. Важно регулярно переворачивать кристалл, чтобы убедиться в равномерности шлифовки. Поработать над отдельными частями поможет обычный канцелярский ластик: он позволяет приложить больше давления на конкретную область.

Дальше применяют плёнки для полировки: сначала зернистостью 9 микрон (например, 3M 662XW diamond lapping film) и в конце — 3 микрона (3M 661X diamond lapping film). Постепенно все структуры кристалла станут хорошо видны, и его поверхность начнёт переливаться на свету.

Шлифовка и полировка — это история для терпеливых. У Фритченса Фрица, который много лет занимается макрофотографией кристаллов, этот этап занимает чуть больше 4 часов. У тех, кто только-только пробует подготавливать микросхемы к съемке, в первые разы и вовсе не получается ничего достойного.

Для создания снимков используют как зеркальные и беззеркальные фотоаппараты с макрообъективами, так и специализированные металлографические микроскопы с разными объективами и CMOS-камеры.