Введение
Современные полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы
представляют собой чрезвычайно сложные устройства, отдельные компоненты
которых имеют размеры не более доли микрометра. Изготовление таких
устройств осуществляется на монокристаллических полупроводниковых
пластинах с использованием фотолитографии. Полупроводниковые пластины,
предназначенные для формирования изделий микроэлектроники, характеризуются
сoвepшенной атомной структурой и высокой геометрической точностью
обеспечения этих качеств разработана оригинальная технология механической,
химической и химико-механической обработки моно-кристаллических материалов,
создано прецизионное оборудование, зачастую не имеющее аналогов в других
отраслях народного хозяйства. Обработка полупроводниковых пластин требует
высокой квалификации операторов и обслуживающего персонала,
неукоснительного соблюдения технологической дисциплины и обязательного
поддержания особой чистоты применяемых материалов и вакуумной гигиены в
производственных помещениях.
Фотолитографические процессы - важнейшая составная часть технологии
изготовления микроэлектронных приборов. Именно они обеспечивают
формирование элементов структур с субмикронными размерами и хорошую их
воспроизводимость. На современном обо- рудовании достигается разрешающая
способность, позволяющая получать несколько тысяч линий на миллиметр.
Необходимым условием качественной фотолитографии является наличие
бездефектных высокоточных фотошаблонов.
§ 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОРОВ И МИКРОСХЕМ
Общая схема технологического процесса
Возникновение современной технологии полупроводниковых приборов
относится к 1957-1958 гг., когда были открыты локальная диффузия по
оксидной маске и фотолитография. Сочетание этих методов заложило основу
планарной ( plane - плоскоcть ) технологии полупроводниковых приборов и
интегральных микросхем (ИМС). В настоящее время она является доминирующей
технологией полупроводникового производства.
Планарную технологию применяют для создания твердотельной структуры,
содержащей полупроводниковый кристалл с определеннным распределением
легирующих элементов ( p-n - переходов ), систему внутренних соединений с
диэлектрической изоляцией, а также для формирования внешних выводов этой
структуры и ее защиты.
Общая технологическая схема процессов производства полупроводниковых
приборов показана на рис. 1. Она включает комп лексы подготовительных
процессов, процессов групповой и индивидуальной обработки.
В комплекс подготовительных процессов входят: инженерное проектирование
схемы, разработка ее топологии и соответствующего комплекта фотошаблонов,
а также ряд заготовительных операций - подготовка полупроводниковых
подложек, корпусов приборов и др.
Формирование самой структуры прибора происходит при групповой
обработке, которая состоит из процессов окисления, диффузии примесей,
эпитаксии, вакуумного напыления, фотолитографии и технохимической
обработки. Развернутая схема групповой обработки пластины при формировании
прибора на примере эпитаксиально-планарной структуры представлена на рис.
2. Показанная на схеме часть технологического процесса изготовления
приборов связана с одновременным получением множества идентичных структур
(кристаллов) на одной полупроводниковой пластине. Цикл групповой обработки
заканчивается получением межсоединений на поверхности кристаллов пластины.
В индивидуальную обработку входят сборочно-контрольные процессы
(разделение групповой пластины на отдельные кристаллы, монтаж кристаллов в
корпусах, приварка выводов, герметизация, контроль, механические и
климатические испытания,окраска, маркировка и упаковка). Отдельные этапы
технологического процесса групповой обра
ботки - фотолитография, диффузия, контроль и др. - включают до
[pic]
Рис. 1 Общая схема процессов производства полупроводниковых приборов
десяти операции, выполняемых по типовым операционным картам и
технологическим инструкциям. Общее число операций изготовле- ния ИМС (без
учета подготовительных операций) может достигать 150 ,а продолжительность
полного цикла обработки составляет около 100 ч.
Особенностью конструкции полупроводниковых приборов является
сверхминиатюрность их элементов. Толщина диэлектрических и металлических
покрытий этих приборов обычно не превышает 1 мкм, а толщина активных
областей структур составляет десятые доли микрометра. Так, толщина базы СВЧ-
транзистора может составлять 0,1 , а эмиттера - О,15 мкм .
[pic]
Рис.2 Схема технологического процесса изготовления эпитаксиально-планарной
структуры ИМС (групповая обработка) с транзисторами n-р-n -типа
Следует также учитывать, что при изготовлении этих приборов производят
большое число сложных последовательных операций над одним и тем же
кристаллом, что сказывается на проценте выхода годных приборов. В
полупроводниковом производстве суммарный процент выхода годных приборов
зависит от процента их выхода на отдельных этапах технологического цикла:
Nсумм= (N0/100)n*100, где No - средний процент выхода годных структур на
единичной операции технологического цикла, n - число oпераций цикла.
Таким образом, если технологический цикл изготовления прибора содержит 100
операций,то даже при N0=95 % Nсумм=1,6 %. Поэтому следует помнить , что
процент выхода годных полупроводниковых приборов и их качество в
значительной степени зависят не только от совершенства технологии, но и
от мастерства рабочего, выполняющего ту или иную технологическую операцию.
§ 2. Характеристика технологических операций
Подготовка полупроводниковых подложек.
Эта операция относится к заготовительным процессам изготовления
приборов, Слитки полупроводниковых материалов диаметром 100 мм и более
режут перпендикулярно их продольной оси на пластины толщиной до 1 мм. После
этого пластины шлифуют до устранения неровностей и нарушенного слоя. При
шлифовке последовательно применяют более тонкие шлифовальные составы, чтобы
свести к минимуму нарушения кристаллической структуры пластины. В
планарной технологии все элементы полупроводниковых приборов создаютcя в
приповерхностной области подложки, поэтому качество и состояние поверхности
пластины имеют важное значение. Поверхность пластины полируют для
окончательного снятия с нее дефектов и доведения ее до необходимой чистоты.
Для этого применяют различные способы полирования: механический,
химический, химико-механический, электрохимический и плазмо-химический.
Для окончательной подготовки рабочей поверхности пластины служит
химическая обработка, назначение которой заключается в удалении
загрязнений, о статков оксидов и в обезжиривании. В технологическом
процессе изготовления приборов химическую обработку подложек используют
многократно. Подготовка подложек, как правило, не связана с выпуском
конкретных приборов и практически не влияет на длительность периода запуска
прибора в производство, однако во многом определяет возможности технологии. Особенностью планарной технологии является повторение одно-типных
технологических операций, которые можно проследить по технологической схеме
процесса, приведенного на рис. 2. Изменение количества таких
последовательностей дает возможность производить любые планарные приборы
(от простых диодов до сложных интегральных схем). При этом основа операций
часто остается неизменной, а изменяются только технологические режимы и
фото-шаблоны, используемые для фотолитографии. Каждая последовательность
формирует определенную часть структуры: базовую или эмиттерную область,
контакты и т. д. Последовательность изменения структуры
полупроводникового кристалла при формировании энитаксиально-планарного n-
р-n - кремниевого транзистора показана на рис. 3. Исходная эпитаксиальная
структура представляет собой кремниевую пластину 2, на поверхности которой
выращен эпитаксиальный слой кремния 1
[pic]
Рис. 3. Технологическая схема изготовления n-р-n-эпитаксиально-планарного
кремниевого транзистора: а - исходная эпитаксиальая структура, б -
структура с защитной оксидной пленкой, в - фотолитография и диффузия базы,
г - окисление, фотолитография и диффузия эмиттера, д - формирование
металлических контактов; 1 - эпитаксиальный слой, 2 - кремниевая
пластина, 3 - защитная пленка оксида кремния, 4 - р-область базы. 5 - n
-область эмиттера, 6 - металлические контакты
толщиной несколько микрометров. Поверхность эпитаксиальной структуры
покрывают защитной пленкой оксида кремния 3 и с помощью фотоли тографии в
ней вытравляют окно. Диффузией акцепторной примеси в эпитаксиальном слое
формируют базовую р-область 4. Затем окно снова покрывают пленкой оксида и
в ней вновь вытравляют окно для создания эмиттерной n -области 5 диффузией
донорной примеси. Заключительным этапом является формирование металлических
контактов 6 ко всем областям транзисторной структуры. Получение
диэлектрических пленок. Диэлектрические пленки используют в качестве
маскирующих покрытий при диффузии, а в готовых приборах и схемах - в
качестве защиты и изоля- ции элементов и линий металлизации.
Диэлектрические пленки являются одним из наиболее ответственных элементов
структуры приборов и во многих случаях определяют механизм отказов и,
следовательно, надежность приборов. Любые неоднородности диэлектрических
пленок как при маскировании, так и при защите почти неизбежно приводят к
дефектам и отказам приборов. Эксплуатационным требованиям достаточно
полно отвечает диоксидил кремния (Si02), получаемый при нагревании
поверхности ремния в присутствии кислорода (термическое окисление). Пленка
SiO2 обладает наилучшими маскирующими свойствами и высокими электрическими
параметрами. Хорошо растворяясь в плавиковой кислоте. SiO2 в то же время
практически стабилен по отношению к смесям HF+HNO3, что позволяет
эффективно использовать его в качестве маски при селективном травлении
кремния. Термическое окисление применимо только к кремнию. Окисление
кремния проводят в однозонных диффузионных печах со специальными
газораспределительными устройствами при 50-1200° С. Рост оксида происходит
на границе раздела оксид-кремний, следовательно, окислитель (кислород или
молекулы воды) диффундирует сквозь растущую оксидную пленку к его границе,
где вступает в реакцию с кремнием. В связи с этим скорость роста оксидной
пленки со временем падает, как это показано на рис. 4..
[pic]
Рис 4. Зависимость толщины x0 оксида от времени окисления t при постоянных
температуре и давлении газообразного окислителя.
В зависимости от окислительной среды различают термическое окисление
в сухом кислороде, в атмосфере водяного пара и комбинированное.
Термическое окисление кремния в сухом кислороде характеризуется наибольшей
продолжительностью и более высоким качеством пленки по сравнению с
окислением в атмосфере водяного пара, о чем свидетельствует ее высокая
плотность (2.27 г/см3). В этом случае для получения пленки SiO2 толщиной
1 мкм при 1300°С требуется 15 ч. Процесс окисления кремния в атмосфере
водяного пара ( гидротермальное окисление) харак- теризуется большими
скоростями роста и возможностью получения толстых (2-3 мкм) пленок SiO2.
Основным недостатком процесса окисления в атмосфере водяного пара является
низкое качество получаемых пленок и, как следствие, ухудшение их защитных
свойств. Низкая плотность пленок (около 2 г/см3) связана с их пористостью
из-за наличия водорода и гидроксильных групп ОН. Поэтому термический оксид
обычно создают при комбинированных режимах окисления, чередуя этапы
выращивания пленок в сухом и влажном кислороде. Наиболее часто окисление
проводят в три стадии: в сухом кислороде, увлажненном -для ускорения
процесса и наращивания достаточно толстой пленки и вновь - в сухом.
Термическое окисление связано с воздействием высокой температуры, что
приводит к диффузионному размыванию (изменению геометрии) формируемой
структуры прибора. Для снижения тем пературы применяют способы осаждения
пленок SiO2 из летучих кремнийорганических соединений при 700°С, причем
они уни версальны почти для всех полупроводников. Большое распространение
получил способ пиролитического осаждения диоксида кремния с использованием
тетраэтоксисилана, пиролиз (т. е. термическое разложение) которого
протекает согласно реакции
Si (ОС2Н5)4 Si02 +4C2H4 + 2Н20
Скорость осаждения пленки при 750°С составляет 0,03 мкм/мин. Кроме SiO2 в
планарной технологии в качестве защитного и мас кирующего покрытия
используют пленки нитрида кремния Si3N4, являющиеся более плотными и
непроницаемыми по отношению к диффузиантам, чем пленки SiO2. Основным
способом получения пленок нитрида кремния является пиролитическое
осаждение, реакция которого протекает при взаимодействии силана и аммиака:
3SiH4 + 4NH3=Si3N4+ 12Н2
Осаждение Si3N4 происходит при 900°С. Возможно также исполь- зование
реакции взаимодействия четыреххлористого кремния с аммиаком
3SiCl4+4NH3 Si3N4+ 12НСl
Нитрид кремния осаждают на установках эпитаксиального на- ращивания
или в диффузионных однозонных печах, снабженные специальным устройством
газораспределения. Скорость осаждения нитрида кремния зависит от
температуры и расхода силана и аммиака. Фотолитография. Электрические и
эксплуатационные характеристики изготовляемых микроэлектронных приборов
неразрывно связаны с размерами элементов и их взаимным расположением.
Фотолитография является основным и практически единственным способом
прецизионной локальной микрообработки, применяемым для получения
необходимых размеров и конфигураций элементов ИМС (от единиц до десятых
долей микрометра). Фотолитография состоит из совокупности целого ряда
физических, фотохимических и химических процессов и используется для
созания защитного рельефа (маски) на поверхности полупроводниковой
пластины. Для этого применяют специальный светочувствительный мматериал -
фоторезист, обладающий устойчивостью к воздействию агрессивных средств
(кислот, щелочей) . Тонкий слой фоторезиста наносят на полупроводниковую
подложку и производят засветку (экспонирование) через специальный
инструмент - фотошаблон, имеющий прозрачные и непрозрачные для
используемого света участки, определяющие топологию прибора. Под действием
света в фоторезисте протекают фотохимические реакции, которые в зависимости
от типа используемого фоторезиста приводят к усилению или ослаблению его
растворимости в определенных химических растворах. Мосле проявления на
поверхности подложки остается защитный слой фоторезиста, повторяющий
позитивное или негативное изображение фотошаблона. Последующее
использование защитного рельефа в зависимости от технологического этапа
изготовления прибора заключается в травлении материала подложки на
незащищенных фоторезистом участках или нанесение какого-либо материала на
эти участки. Так , при проведении фотолитографии по слою SiO2 при травле-
нии проводят селективное удаление диэлектрика над теми участками
полупроводника, где должны быть созданы диффузионные структуры, а при
фотолитографии по слою металла формируют топологию контактных площадок,
межсоединений, пассивных элементов.
В процессе изготовления приборов операции фотолитографии многократно
повторяют (до 10-12 раз в сложных ИМС). При этом на каждом этапе
изображение используемого фотошаблона должно с высокой точностью
совмещаться с рисунком на подложке, полученным на предыдущих операциях
фотолитографии. Таким образом, создается геометрия планарного прибора, его
активных областей, контактов, соединений и т. д.
Для проведения фотолитографии используют механическое, оптико-
механическое и химическое оборудование, к которому предъявляют повышенные
требования.
Диффузия примеси.
Целью проведения диффузии является внедрение атомов легирующего
элемента в кристаллическую решетку полупроводника для образования р-n-
перехода на глубине Xпер. В этом случае концентрация введенной примеси
оказывается рав ной концентрации исходной примеси Nисх в полупроводнике.
Раз меры диффузионной области в плане определяются размерами окна в слое
диэлектрика, так как скорость диффузии примеси в SiO2 и Si3N4 на несколько
порядков ниже, чем в полупроводнике.
Различные способы диффузионного легирования различаются фазовым
состоянием легирующей примеси (газообразное, жидкое, твердое), подводом
примеси к подложке и конструкцией установок. В большинстве случаев диффузию
проводят в окислительной атмосфере. Температура диффузионного легирования
кремния 1050- 1200°С.
Диффузия в полупроводник в большинстве случаев происходит за счет
перемещения диффундирующих частиц, по вакантным узлам кристаллической
решетки. Кроме этого, возможны прямой обмен атомов местами в узлах
кристаллической решетки и перемещение атомов по междоузлиям.
В качестве легирующих примесей выбирают элементы, имеющие достаточно
высокую скорость диффузии и хорошую растворимость в полупроводнике при
температуре диффузии. Для кремния в каче стве диффузантов чаще всего
используют элементы III и V групп таблицы Д. И. Менделеева. Основной
донорной примесью является фосфор, который по сравнению с часто
применяемыми сурьмой и мышьяком имеет более высокую скорость диффузии в
кремний.
В качестве акцепторных примесей используют алюминий, галлий, индий и
бор. Бор применяют наиболее часто, поскольку он обладает наиболее высокой
предельной растворимостью.
Одним из эффективных способов создания р-n-переводов является ионное
легирование. Ионы легирующего вещества, обладающие высокой энергией,
направляются на поверхность полупроводника и внедряются в его
кристаллическую решетку. При этом ионы вызывают каскад смещений атомов
полупроводника, приводя к образованию аморфизированных областей, в которых
кристаллическая структура решетки нарушена.
Для получения высокой концентрации активных примесей (помещения их в
узлы кристаллической решетки) и восстановления кристаллической структуры
полупроводника после ионного легирования требуемся отжиг, который проводят
при 400-700°С. Внедренные и смещенные атомы при этих температурах
приобретают подвижность, достаточную для перехода в вакантные узлы и
упорядочения структуры.
Процесс ионного внедрения характеризуется энергией ионов, плотностью
тока ионного пучка, дозой облучения. Изменяя пара метры ионного пучка,
можно управлять профилем распределения концентрации внедренных ионов и с
высокой точностью изменять концентрацию примесей в полупроводнике.
Эпитаксия.
Это технологический процесс выращивания тонких монокристаллических
слоев полупроводника на монокристалличеcкиx подложках. Материал подложки в
процессе выращивания играет роль затравочного кристалла, а получаемая
пленка является продолжением ее структуры. Характерной особенностью
эпитаксии является возможность формирования слоев с заданными электро-
физическими свойствами и геометрическими размерами. Так, если в процессе
эпитаксиального выращивания наряду с атомами полупроводника в росте пленки
участвуют и атомы легирующего элементa, то на границе раздела пленка -
подложка можно получить p-n-переход или изотопные переходы n + -n и р +
-р. Таким образом, в тонких слоях (2-10 мкм) эпитаксиально-планарных
структур создаются элементы ИМС, а подложка толщиной 500 мкм яв ляется
несущей конструкцией.
При создании приборов диффузионным легированием число диффузионных
процессов может быть ограниченно. Так, при проведении трех диффузионных
процессов трудно получить нужную концентрацию примеси в нижнем слое, в
особенности если он должен иметь высокое удельное сопротивление, т. е.
низкую концентрацию носителей.
Гораздо легче получать слои с требуемым распределением примесей, если
они вводятся в процессе выращивания эпитаксиальных пленок. Равномерное
распределение примесей, которое неосуществимо в диффузионных слоях, легко
достигается при эпитаксии. При совместном использовании эпитаксии и
диффузии улучшаются эксплуатационные характеристики полупроводниковых
приборов.
Процесс эпитаксиального наращивания слоев полупроводника заключается в
осаждении его атомов на подложку, в результате чего на ней вырастает слой,
кристаллическая структура которого подобна структуре подложки.
Эпитаксиальный слой обладает теми же структурными дефектами, что и
подложка, поэтому для получения надежных полупроводниковых приборов
первостепенное значение имеют чистота и структурное совершенство материала
подложек.
Наибольшее распространение в производстве полупроводниковых приборов
получили способы газофазной и жидкофазной эпитаксии. Способ газофазной
эпитаксии, являющийся наиболее простым в условиях серийного и массового
производства, используется для формирования тонких слоев кремния и сложных
полупроводникор типа АIIIВV, а жидкофазной -в основном для получения
этатакси- альных слоев арсенида галлия и гетероструктур на его основе (нап
ример, GaAs-GaAlAs).
При формировании кремниевых эпитаксиальных пленок спосо бом газофазной
эпитаксии используют реакции восстановления тетрахлорида (SiCl4) или
трихлорсилана (SiHCl3) над кремниевыми подложками. Парогазовая смесь
соответствующего состава прохо дит над нагретой до определенной температуры
подложкой, осаждаясь на ней в виде монокристаллического слоя. Обычно такие
процессы осуществляют в кварцевых реакторах. При восстановле нии
тетрахлорида в качестве газа-носителя используют водород. При этом
происходит следующая реакция:
SiCI4+2H2 4HCI+Si
Для качественного проведения процесса осаждения температура подложек
должна быть 1100-1300°С. При получении эпитаксиальных слоев с заданными
свойствами в состав парогазовоя смеси вводят легирующую добавку.
При формировании эпитаксиальных пленок арсенида галлия способом
жидкофазной эпитаксии сначала получают расплав полу проводникового
материала с соответствующими легирующими добавками, а затем подложку
подводят к поверхности раствора-расплава. После установления теплового
равновесия между ними их охлаждают по соответствующему закону для
эпитаксиального осаждения пленки на подложку.
Металлизация полупроводниковых структур.
Этот способ ис пользуется для формирования межсоединений в ИМС,
создания контактных площадок и состоит из двух этапов - металлизации и
фотолитографии по металлической пленке. Нанесение металлизации в планарной
технологии осуществляется либо термическим испарением, либо катодным
распылением.
При вакуумном термическом испареении металл нагревают электрическим
током или бомбардируют его электроннонным лучом. Перенос потока испаряемых
частиц в пространстве источник - подложка зависит от степени вакуума и
определяется длиной свободного пробега молекул. При соударении атомов
испаряемого вещества с поверхностью подложки происходит конденсация -
процесс перехода вещества из газообразной в твердую или жидкую.
Качество напыленных пленок зависит от степени очистки, температуры
подложки, а также от скорости испарения, вакуума, геометрии системы и др.
Катодное распыление целесообразно применять для получения пленок
тугоплавких металлов (с высокой температурой испарения) -титана, вольфрама,
молибдена. Для этого в вакуумную камеру напускают при небольшом давлении ( 1,0 Па ) газ и, подавая постоянное или переменное напряжение 3-5 кВ, между
элек тродами зажигают тлеющий разряд. Образовавшиеся при этом положительные
ионы газа ускоряются по направлению к катоду, выполненному из распыляемого
материала, и бомбардируют его. Атомы распыляемого катода осаждаются на
полупроводниковую подложку и образуют сплошную металлическую пленку.
Фотолитографией по металлической пленке формируют требуемую
конфигурацию проводников межсоединений и контактные площадки для
присоединения схемы к внешним выводам корпуса .
После окончания групповой обработки пластины со сформированными
структурами поступают на сборку приборов (индивидуальная обработка).
Сборка.
В процессе сборки разделяют пластины на отдельные кристаллы, монтируют
кристалл в корпус, присоединяют электрические выводы к контактным площадкам
кристалла и выводам корпуса и герметизируют корпус.
Чтобы гарантировать надежную работу изготовленных приборов, их
подвергают испытаниям, которые проводят согласно техни ческим условиям на
каждый тип прибора. Испытания включают комплекс операций: измерение
электрических параметров и классификацию приборов, определение механической
и климатической стойкости приборов, проверку их герметичности и определение
гарантийного срока службы.
Кроме того, в процессе изготовления приборов постоянно проводится
межоперационный контроль, позволяющий следить за ста бильностью
технологического процесса. При необходимости коррек тируют режимы обработки
(температуру, концентрацию, время). По данным межоперационного контроля
партия пластин может оказаться забракованной и снятой с дальнейшей
обработки.
Даже при нормальном протекании процесса часть кристаллов групповой пластины оказывается дефектной (из-за проколов в за щитных масках, локальных загрязнениях и пр.). Эти кристаллы обнаруживаются лишь на завершающем этапе групповой обработки - после получения межсоединений и периферийных контактов, когда осуществляется контроль прибора на правильность функционирования. В дальнейшем эти кристаллы отбраковываются и не поступают на сборочные линии.
§ 3. Общие сведения об изготовлении подложек
Для получения качественных приборов и иатегральнх схем необходимы
однородные пластины с поверхностью, свободной от дефектов и загрязнений.
Приповерхностные слои пластин не должны иметь нарушений кристаллической
структуры. Оченьа жесткие требования предъявляют к геометрическим
характеристикам пластин, особенно к их плоскостности. Плоскосткость
поверхности имеет определяющее значение при формировании структур приборов методами оптической литографии. Важны и такие геометрические параметры
пластина как прогиб, непараллельность сторон и допуск по толщине.
Для обеспечия требуемых параметров разработаны различные
технологические варианты изготовления пластин. В зависимости от
характеристик обрабатываемого материала варианты изготовлениян имеют свои
особенности, но, как правило, состоят ят из одних и тех же базовых
операций, применяемых в различных сочетананиях. К базовым операциям
относят предварительную подготовку разделение его на пластины, шлифование
пластины, свободным или связанным абразивом, формирование фасок, химческое травление пластин, их полирование и очистку.
Предварительная подготовка слитка заключается в калибровке его
наружного диаметра до заданного размера, стравливании нарушенного слоя,
изготовлении базовых и дополнительных срезов, подготовке торцовых
поверхностей с заданной кристаллографической ориентацией. Затем разделяют
слиток на пластины определнной толщины. Целью последующего шлифования явля
ется выравнивание поверхности отрезанных пластин, уменьшение разброса их
толщин, формирование однородной поверхности. Фаски с острых кромок
пластин снимают для того, чтобы удалить сколы, образующиеся при резке и
шлифовании. Кроме того, острые кромки пластин являются концентраторами
напряжений и потенциальными источниками структурных дефектов, которые могут возникнуть при перекладывании пластин и прежде всего при термических
обработках (окислении, диффузии, эпитаксии).
Химическим травлением удаляют нарушенные приповерхностные слои, после
чего полируют обе стороны пластин или ту сторону, которая предназначена
для изготовления структур приборов. После полирования пластины очищают от
загрязнений, контролируют и упаковывают.
При изготовлении приборов способами наиболее распространенной
планарной технологии и ее разновидностей используют только одну, так
называемую рабочую сторону пластины. Учитывая значительную трудоемкость и
высокую стоимость операций по подготовке высококачественных пластин с
бездефектной поверхностью, некоторые варианты изготовления пластин
предусматривают несимметричную, т. е. неодинаковую, обработку их сторон.
На нерабочей стороне пластины оставляют структурнодеформированный слой
толщиной 5-10 мкм, который обладает свойствами геттера, т. е.
способностью поглощать пары и газы из корпуса полупроводникового прибора
после его герметизации за счет очень развитой поверхности.
Дислокационная структура слоя, обращенная к рабочей по верхности
пластины, обладает способностью притягивать и удерживать структурные
дефекты из объема полупроводникового кристалла, что значительно повышает
надежность и улучшает электро-физические параметры приборов. Однако
несимметричная обработка сторон пластин создает опасность их изгиба.
Поэтому глубину нарушений на нерабочей стороне следует строго
контролировать.
Использование в полупроводниковом производстве пластин
стандартизованных размеров позволяет унифицировать оборудование и оснастку
на всех операциях, начиная от их механической обработки и заканчивая
контролем параметров готовых структур. В отечественной и зарубежной
промышленности нашли применение пластины диаметром 40, 60, 76, 100, 125,
150 и 200 мм. Для получения пластины заданного диаметра осуществляют
калибровку выращенного проводникового монокристаллического слитка.
[pic]
Рис. 5 Калибровка слитка круглым шлифованием: а,б - переферией и торцом круга,1 - ситок, 2 -шлифовальный круг
§ 4. Калибровка слитков
Как правило, калибровку производят способом наружного круглого
шлифования алмазными кругами на металлической связке (рис. 5). При этом
используют как универсальные круглошлифовальные станки (рис. 5, а), так и
специализированные станки (рис. 5, б), позволяющие производить калибровку
с малыми радиальными силами резания. Если при калибровке кремниевого
слитка на универсальном круглошлифовальном станке глубина нарушенного
слоя достигает 150-250 мкм, то применение специализированных станков
обеспечивает снижение глубины нарушенного слоя до 50-80 мкм. Калибровку
чаще всего проводят в несколько проходов. Сначала за первые черновые
проходы снимают основной припуск алмазными кругами зернистостью 160-250
мкм, затем осуществляют чистовую обработку алмазными кругами зернистостью
40-63 мкм.
[pic]
Рис. 6. Примеры взаимного расположения базовых и вспомогательных срезов
на пластинах кремния:
а-КДБ 10 (Ill), б-КЭФ 4,5 (100); в-КЭФ 4.5 (Ill). а-КДБ 10 (100). Д-КЭФ 7,5 (111). е-КЭФ (НИ, ас-КЭФ 0,5 (Ill), з-КЭФ 0.2 (111). н-КЭФ 2 (Ill), к-КЭС
0,01 (111)
После калибровки Цилиндрической поверхности на слитке выполняют базовый и
дополнительные (маркировочные) срезы. Базовый срез делают для ориентации и
базирования пластин на операциях фотолитографии. Дополнительные срезы
предназначены для обозначения кристаллографической ориентации пластин и
типа проводимости полупроводниковых материалов. Примеры расположения
базовых и дополнительных срезов показаны на рис. 6, а - к. Ширины базового
и дополнительных срезов регламентированы и зависят от диаметра слитка.
Базовый и дополнительные срезы изготовляют шлифованием на
плоскошлифовальных станках чашечными алмазными кругами по ГОСТ 16172-80 или
кругами прямого профиля по ГОСТ 16167-80. Зернистость алмазного порошка в
кругах выбирают в пределах 40/28-63/50 мкм. Один или несколько слитков
закрепляют в специальном приспособлении,ориентируя необходимую
кристаллографическую плоскость параллельно поверхности стола станка. В
зону обработки подают смазочно-охлаждающую жидкость (например, воду).
Срезы можно также изготовлять на плоскодоводочных станках с применением
абразивных суспензий на основе .порошков карбида кремния или карбида бора
с размером зерен 20-40 мкм. Шлифование свободным абразивом позволяет
уменьшить глубину нарушенного слоя, но при этом снижается скорость
обработки. Поэтому наиболее широко в промышленности распространено
шлифование цилиндрической поверхности и срезов алмазными кругами.
После шлифования слиток травят в полирующей смеси азотной, плавиковой и
уксусной кислот, удаляя нарушенный слой. Обычно стравливают слой толщиной
0,2-1,0 мм. После калибровки и травления допуск на диаметр слитка
составляет 0,5 мм. Например, слиток с номинальным (заданным) диаметром 60
мм может иметь фактический диаметр 59,5-60,5 мм.
§ 5. Разделение полупроводниковых слитков на пластины
Промышленное получение полупроводниковых монокристаллов представляет
собой выращивание близких к цилиндрической форме слитков, которые
необходимо разделить на заготовки-пластины. Из многочисленных способов
разделения слитков на пластины (резка алмазными кругами с внутренней или
наружной режущей кромкой, электрохимическая, лазерным лучом, химическим
травлением, набором полотен или проволокой, бесконечной лентой и др.) в
настоящее время наибольшее применение нашли резка алмазными кругами с
внутренней режущей кромкой, набором полотен и бесконечной лентой.
А л м а з н ы й к р у г с в н у т р е н н е й р е ж у щ е й к р о
м к о й.
(AКВP) обеспечивает разделение слитков достаточно большого диаметра (до
200 мм) с высокой производительностью, точностью и малыми потерями
дорогостоящих полупроводниковых материалов. Круг АКВР представляет собой
металлический кольцеобразный корпус толщиной 0,05-0,2 мм, на внутренней
кромке которого закреплены алмазные зерна, осуществляющие резание. Корпус
изготовляют из высококачественных коррозионно-стойких хромоникелевых сталей
с упрочняющими легирующими добавками. В отечественной промышленности для
корпусов используют сталь марки 12Х18Н10Т.
Формообразование ленты производят способом холодной прокатки, в
результате чего достигается прочность на разрыв до 1760-1960 МПа.
Недостатком холодной прокатки является возникновение у ленты анизотропии
механических свойств, что объясняется деформацией и направленной
ориентацией зерен, образующих структуру стали. Анизотропия текучести ленты
в направлении прокатки и в направлении, перпендикулярном ей, препятствует
равномерному натяжению корпуса круга. Уменьшить анизотропию можно
совершенствованием исходной структуры стали до прокатки и применением
термообработки.
Алмазосодержащий режущий слой на внутренней кромке корпуса формируют
гальваностегией. В электролотическую ванну посещают корпуса, защищенные
изоляторами по всей поверхности, исключая внутреннюю кромку. Ванну
заполняют электролитом и засыпают в нее алмазный порошок требуемой
зернистости. При пропускании постоянного электрического тока между анодом и
корпусами на внутренней кромке осаждается металлический слой, захватывающий
и прикрепляющий к корпусу алмазные зерна. осаждаемый металлический слой
называется связкой. Чаще всего это никель или кобальт. Толщина режущей
кромки в два-три раза больше толщины корпуса.
Размер алмазных зерен, закрепленных на внутренней кромке, выбирают в
зависимости от физико-механических свойств разрезаемого полупроводникового
материала (таердости, хрупкости, способности к адгезии, т. е. прилипанию к
режущей кромке). Как правило, для резки кремния целесообразно использовать
алмазные зерна с размером основной фракции 40-60 мкм. Зерна должны быть
достаточно прочными и иметь форму, близкую форме правильных кристаллов.
Германий и сравнительно мягкие полупроводниковые соединения типа А3В5
(арсенид галлия, арсенид индия,антимонид индия, фосфид галлия и др.)
целесообразно резать алмазами, размер зерен основной фракции которых 28-40
мкм. Требования к прочности этих зерен не столь высоки, как при резке
кремния. Монокристаллы сапфира, корунда, кварца, большинства гранатов
разделяют высокопрочными кристаллическими алмазами размер зерен основной
фракции которых 80-125 мкм.
В связи с тем что диаметры слитков и механические свойства разрезаемых
материалов разнообразны, используют круги АКВР различных типоразмеров.
Характеристики наиболее распространенных из них приведены в табл-З.
Схему резки полупроводникового слитка кругом АК.ВР показана на рис.
22. Круг 1 растягивают и закрепляют на барабане 2, который приводят во
вращение вокруг своей оси. Слиток 3 вводят во внутреннее отверстие круга
АКВР на расстояние, равное сумме заданной толщины пластины и ширины
пропила. После этого производят прямолинейное перемещение слитка
относительно вращающегося круга в результате чего отрезается пластина.
Отрезанная пластина может падать в сборный лоток или же удерживаться
после полного прорезания слитка на оправке 4 клеящей мастикой 5. После
сквозного прорезания слитка его отводят в исходное положение и круг
выходит из образованной прорези. Затем слиток снова перемещают на заданный
шаг во внутреннее отверстие круга и повторяют цикл отрезания пластины.
Обязательным условием качественного разделения слитка на пластины
является правильная установка и закрепление круга
Т а б л и ц. а 1. Основные технические данные алмазных отреаных кругов с внутренней режущей кромкой
[pic]
AКBP. Высокая прочность материала корпуса круга и его способность к
значительному вытягиванию дают возможность натянуть круг на барабан с
достаточной жесткостью. Жесткость круга непосредственно влияет на точность
и качество поверхности пластин, на стойкость круга, т. е. срок его службы,
и ширину пропила. Недостаточная жесткость приводит к возникновению
дефектов геометрии пластин (неплоскостности, прогиба, разброса по толщине)
и увеличению ширины пропила, а чрезмерная жесткость - к быстрому выходу
круга из строя из-за разрыва корпуса.
Установлено, что для каждого типоразмера круга AКBP существует
оптимальная жесткость корпуса, при которой обеспечиваются высокие
стойкость круга и качество пластин, а также минимальная ширина пропила.
Разработано несколько способов оценки и контроля жесткости круга.
Наиболее простой из них основан на измерении диаметра внутреннего отверстия
круга. За счет растяжения материала корпуса круга при его установке диаметр
внутреннего отверстия увеличивается на 0,5-1,0% его исходного значения.
Измеряя увеличение диаметра внутреннего отверстия специальным индикатором
и доводя его до заданного значения, добиваются требуемой жесткости круга.
Можно оценить жесткость круга по его прогибу под действием сосредоточенной
нагрузки.
Наиболее объективную оценку жесткости позволяет произвести способ,
основанный на измерении собственной частоты колебаний натянутого корпуса.
Изменение жесткости круга вызывает изменение его собственной частоты
колебаний, что проявляется, например, при изменении высоты звука,
возникающего при легком постукивании по кругу.
[pic]
Рис. 7. Схема резки слитка кругом
АКВР:
1 - круг АКВР, 2 - барабан,
3 - слиток, 4 - оправка, 5 - клеящая мастика
Измерение собственной частоты колебаний натянутого круга осуществляют с
помощью специального прибора, состоящего из бесконтактного возбудителя
колебаний (электродинамического громкоговорителя), бесконтактного датчика
и измерительного блока. Частота возбуждающих колебаний задается
генератором низкой частоты. По максимальному показанию индикатора
устанавливается момент совпадения частоты генерируемых колебаний
резонансной частотой круга. Оптимальные частоты собственных колебаний
кругов с корпусами толщиной 0,1 мм, изготовленных из стали марки 12Х18Н10Т,
следующие: круг АКВР 206X83- 1100-1200 Гц; АКВР 305XIOO-800-850 Гц, AKBP
422Х X 152 - 550-600 Гц.
Разрезаемый слиток закрепляют на специальной оправке, причем способ
крепления зависит от того, как извлекают из зоны обработки отрезанные
пластины. Если пластина после отрезания от слитка падает в заполненный
водой сборный лоток, то слиток крепят только одним торцом к оправке. Однако
такой способ приводит к бою большого количества пластин, так как довольно
легкая пластина может прилипнуть к смоченному корпусу круга и разбиться
при его быстром вращении. Для того чтобы исключить прилипание отрезаемой
пластины, ее поддерживают вакуумной присоской, которая фиксирует ее в
процессе отрезания и переносит в сборный лоток или на ленту транспортера.
Включение и перемещение вакуумной присоски осуществляются автоматически.
Отрезанные пластины могут удерживаться на оправке клеящей мастикой,
нанесенной на образующую слитка. Достаточно толстый и широкий слой мастики
удерживает отрезанные пластины без оправки (рис. 8).
При наклеивании торца слитка 1 на оправку обычно используют шеллак или
эпоксидную смолу. Шеллак- это природное органическое вещество, имеющее
пластинчатое строение. Он плавится при 75-90°С и растворяется в этиловом
спирте. Оправку нагревают до температуры плавления шеллака и «аносят его
тонкий слой. Затем сильно прижимают слиток к оправке, выдавливая излишки
шеллака, и охлаждают. Эпокоидная смола-это синтетическое вещество,
обладающее в твердом состоянии высокой механической прочностью. После
смешивания эпоксидной смолы с отвердителем полученную смесь наносят на
оправку, прижимают к ней слиток и помещают их в термостат. В термостате
оправку со слитком выдерживают при 120-150°С в течение 1,5-2 ч, после чего
охлаждают. Обычно используют эпоксидную смолу марок ЭД-16 или ЭД-20. Перед
наклейкой поверхность оправки и торец слитка обезжиривают органическими
растворителями и протирают.
Мастику, которую наносят на образующую слитка для удерживания
отрезанных пластин, приготовляют из компонентов и наполнителей.
Наполнители необходимы для того, чтобы придать сравнительно толстому слою
мастики, нанесенному на слиток, достаточную механическую прочность. Если в
качестве наполнителя непользуют абразивный порошок, то режущая кромка круга
АКВР, врезаясь в мастику, подвергается правке. Наиболее часто используют
мастику, содержащую 3 мас. ч. шеллака, 4 мас. ч. абразивного порошка и 2
мас. ч. эпоксидной смолы. Зернистость абразивного порошка выбирают в
пределах 20-40 мкм.
Ориентацию или поиск заданной кристаллографической плоскости
монокристалла и определение положения этой плоскости относительно торца
слитка производят на специальном оборудовании оптическим или рентгеновским
методами.
[pic]
Рис. 8. Фиксация отрезанных Рис. 9.
Оптический метод ориентации
пластин с помощью мастики: монокристаллов:
1 - слиток, 2 - слой мастики, а -
схема ориентации, б - световые фигуры
3 - круг АКВР , 4 - барабан
на плоскостях (1 1 1) и (1 0 0);
1 - слиток ориентации (1 1 1), 2 -плос-
кость торца, 3 - экран
В основу оптического метода ориентации монокристаллов положено
свойство протравленных поверхностей отражать световые лучи в строго
определенном направлении. При этом отражающая плоскость всегда совпадает с
кристаллографическими плоскостями типа {111}. Отклонение торца слитка от
кристаллографической плоскости (111) приводит к отклонению отраженного луча
на матовом экране на расстояние l (рис. 9, а), характеризующееся углом
разориентации торца от плоскости (111).
Отраженный луч образует на экране световые фигуры, форма которых
определяется конфигурацией ямок, вытравленных на торце слитка селективными
травителями. Типичной световой фигурой для слитка, выращенного в
направлении [111], является трехлепестковая звезда, а для слитка,
выращенного в направлении [100],-четырехлепестковая звезда (рис.9,б).
§ 6. Формирование фасок на кромках пластин
Снятие фасок с кромок полупроводниковых пластин производят для
достижения нескольких целей. Во-первых, для удаление сколов на острых
кромках пластин, возникающих при резке и шлифовании. Во-вторых, для
предотвращения возможного образования сколов в процессе проведения
операций, непосредственно связанных с формированием структур приборов.
Сколы, как известно, могут служить источниками структурных дефектов в
пластинах при проведении высокотемпературных обработок и лажен являться
причиной разрушения пластин. В-третьих, для предотвращения образования на
кромках пластин утолщения слоев технологических жидкостей (фоторезистов,
лаков), которые после затвердевания нарушают плоскостность поверхности.
Такие же утолщения на кромках пластин возникают эри нанесении на их
поверхность слоев полупроводниковых материалов и диэлектриков.
Формирование фасок производят механическим способом (шлифованием и
полированием), химическим или плазмохимическим травлением. Плазмохимическое
травление фасок основано на том, что острые кромки в плазме распыляются с
большей скоростью, чем другие области пластин, ввиду того, что
напряженность электрического поля на острых кромках существенно выше. Этим
способом можно получить фаска с радиусом закругления не более 50-100 мкм.
Химическое травление обеспечивает больший радиус фасок, однако и
химическое, и плазмохимическое травление не позволяют изготовлять фаски
различного профиля. Кроме того, травление является плохо управляемым и
контролируемым процессом, что ограничивает его широкое промышленное
применение.
В производстве чаще всего используют способ формирования фасок
профильным алмазным кругом. Схема обработки пластины 1 алмазным кругом 2
показана на рис.. 10. Этим способом могут быть изготовлены фаски
разнообразной формы (рис. 11, а-в). На практике чаще всего формируют фаски,
форма которых показана на рис. 11, а. В процессе обработки пластина
закрепляется на вакуумном столике станка и вращается вокруг своей оси.
Частота вращения пластины 10-20 об/мин, алмазного круга 4000-10000 об/мин.
Алмазный круг прижимается к пластине с усилием 0,4-0,7 Н. Ось вращения
круга перемещается относительно оси вращения вакуумного столика так, чтобы
обработке
[pic]
Рис. 10. Схема
Рис. 11
формирования фаски про- Варианты
исполнения фаски:
фильным алмазным кругом: а - с
закругленнными кромками;
1-полупроводниковая пластина б -
закругленной переферией
2 - алмазный круг. в -
со скошенными кромками.
никовые соединения шлифуют при давлении в 1,5-2,5 раза меньшем, чем
кремний. В процессе шлифования пластины периодическиподвергают визуальному осмотру и контролю по толщине.
Наряду с двусторонним шлифованием широкое распрестранение получило
одностороннее шлифование пластин, схема которого приведена на рис. 12.
Пластины 2 помещают , в сепаратор 3 и прижимают грузом 4 к шлифовальнику 1.
[pic]
Рис. 12 Схема одностороннего
шлифования связанным абразивом:
1 - шлифовальщик, 2- пластина, 3 -сепататор,
4 - груз
На шлнфовальник подают абразивную суспензию. Обработка, происходит так же,
как и при двустороннем шлифовании. Таким способом возможно шлифовать
пластины разной толщины. Однако между пластиной и грузом может попадать
инородное включение (абразив, частицы полупроводникового материала,
металлическая стружка и т. п.), ухудшающее точность обработки. Поэтому -
чаще пластины при одностороннем шлифовании крепят к шлифовальной головке.
При шлифовании используют три способа крепления пластин: приклеиванием,
оптическим контактом и вакуумной фиксацией. Основными требованиями
крепления пластин являются строгая параллельность базовой поверхности
пластин поверхности шлифовальной головки, а также надежность крепления.
§ 7. Шлифование пластин свободным и связанным абразивом
Основным назначением шлифования полупроводниковых пластин является
исправление погрешностей их геометрической формы после резки Несмотря нате
что глубина нарушенного слоя после шлифования примерно такая же, как и
после резки,следует указать на большую равномерность глубины нарушений,
вносимых шлифованием.
[pic]
Рис. 13. Схема двустороннего шлифования свободным абразивом:
1 - система охлождения, 2,7 - шлифовальники,
3,6 - внутренняя и наружная шестерни,
4 - сепараторы , 5 - пластины
По характеру воздействия абразива на полупроводниковые пластины
различают шлифование свободным и связанным абразивом. В зависимости от
зернистости используемого абразива, режимов обработки и качества
полученной поверхности различают предварительное (черновое) и
окончательное (чистовое) шлифование.
Шлифование свободным абразивом обладает рядом преимуществ, которые
обусловили широкое промышленное использование при изготовлении
полупроводниковых пластин Обработанике пластины не имеют на поверхности
заметных следов направленного движения абразива, их стороны отличаются
матовым однородным блеском. Возможность самоустанавливания шлифовальника
и обрабатываемых пластин обеспечивает улучшение геометрии как самих
пластин, так и шлифовальника. При свободной укладке пластин (без жесткого
крепления) отсутствуют напряжения в пластинах, снижается влияние
погрешностей изготовления и вибраций станка на точность обработки.
Схема двустороннего шлифования пластин свободным абразивом показана на
рис. 13.Пластины 5 помещают в сепараторы 4, выполненные в виде пластин с
наружным зубчатым венцом. Зубья сепараторов входят в зацепление с зубчатыми
шестернями 3 и 6. Внутренняя шестерня 3 имеет наружный зубчатый венец, а
внешняя шестерня 6-внутренний. Шестерни 3 и 6 приводятся во вращение и
через зубчатые зацепления вращают сепараторы. Одновременно сепараторы
перемещаются вокруг оси шлифовальников 2, 7. Центры отверстий в сепараторах
не совпадают с центрами самих сепараторов, поэтому при их вращении
пластины совершают дополнительное движение вокруг центров сепараторов,
способствующее более равномерной обработке пластин и равномерному износу
шлифовальников. Нижний шлифовальник 7 неподвижно закреплен на станине
станка, а верхний шлифовальник 2 свободно устанавливается на
обрабатываемых пластинах.
Рабочее давление на пластины создается гидравлическими устройствами и
передается верхним шлифовальником. Рабочее давление плавно регулируется,
что позволяет осуществлять
[pic] Рис. 14. Форма износа шлифовальника в виде вогнутости (а) или выпуклс- сти
(б) и ее влияние на формообразование пластин
непрерывный переход от чернового шлифования к чистовому. Частота вращения
шестерен также плавно регулируется, исключая толчки и удары в моменты
запуска и остановки станка, что важно при обработке полупроводников.
Шлифовальники снабжены системами охлаждения и контроля температуры,
поддерживающими стабильные условия обработки. Постоянство температуры в
зоне шлифования исключает нежелательные термические деформации
шлифовальников, которые могут снизить точность обработки, и поддерживает
одинаковую вязкость абразивной суспензии во времени, что важно для
поддержания постоянной скорости обработки.
§ 8. Способы доводки полупроводниковых пластин полированием
Полирование полупроводниковых пластин производят для удаления
приповерхностных структурно-дефектных слоев, образовавшихся при резке и
шлифовании. Если полирование овода? а после химического травления, то оно
исправляет дефекты геометрической формы пластин, возникающие из-за
неравномерности травления. По характеру съема материала различают
механическое, химическое и химико-механическое полирование. ;
Механическое полирование осуществляют срезанием микроскопических частиц
в результате воздействия абразивных, зерен на обрабатываемую поверхность. В
качестве абразива используют порошки синтетических и природных алмазов,
оксидов хрома, церия и др.
Х и м и ч е с к о е п о л и р о в а н и е осуществляют погружением
пластин в полирующий травитель. Для обеспечения большей равномерности съема
материала со всей поверхности пластин кассеты с пластинами приводятся во
вращение, в результате чего к ним постоянно подводится свежий травитель
(рис. 15). Травители, используемые для полирования пластин, многообразны
по составу. Кремниевые пластины травят преимущественно в смесях азотной,
плавиковой и уксусной кислот, применяя различные пропорции компонентов. В
эти смеси могут добавляться вещества, стабилизирующие скорость травления
или же катализирующие его реакции. Соединения А3В5 травят чаще всего в
водных растворах перекиси водорода и одной из кислот, например серной,
плавиковой, бромистоводородной и др. Кроме того, химическое полирование
можно осуществлять в газовой среде.
[pic]
Рис. 15 Химическое полирование пластин:
1- держатель, 2 - кассета, 3 - полупроводниковые
пластины , 4 -ванна с травителем
х и м и к о - м е х а н и ч е с к о е п о л и р о в а н и е
осуществляют в результате совместного воздействия химических и механичкских
факторов.
Наибольшее распространение из разнообразных методов механического
полирования получило полирование алмазними порошками, которое производят
суспензиями или пастами. В мазеобразной основе пасты равномерно распределен
алмазный порошок. В некоторых случаях в пасту добавляют наполнитель. В
зависимости от зернистости алмазного порошка пасту окрашивают в различные
цвета.
§ 9. Очистка поверхности полупроводниковых пластин
Проблеме очистки поверхности полупроводниковые пластин уделяется
большое внимание. В микроэлектронных приарах и схемах высокой степени
интеграции, где размер отдельного элемента может быть меньше размера
пылинки, влияние загрязкния особенно опасно. При изготовлении больших
интегральных схем снижение плотностей дефектов, вызванных загрязнениями с 8
до 2 см-2, позволяет повысить выход годных изделий в 3-5 раз.
Загрязнения, содержащиеся на поверхности пластин, можно условно
подраразделить на следующие основные группы.
Т в е р д ы е в к л ю ч е н и я - загрязнения частицами кремния или
другого полупроводникового материала, кварца, абразива, пылью, почвой,
золой, пеплом и др. Они могут попадать на пластину в процессе ее
механической обработки, а также из атмосферы. К этому же типу загрязнений
можно отнести отдельные натуральные и синтетические волокна, попадающие на
пластины с полировальников, технических тканей и спецодежды.
Органические пленки образуются на пластинах практически всех стадиях
изготовления приборов. Их образуют масла от машинной обработки, отпечатки
пальцев, жиры, воски и смолы, используемые для крепления слитков и пластин
при обработке, остатки фоторезистов, поверхностно-активные вещества.
Ионные загрязнения образуются на поверхности после обработки в водных
растворах, содержащих диссоциированные на ионы соединения. Так, широко
применяемые растворы плавиковой кислоты и щелочей могут загрязнять
поверхность ионами фтора, галия, натрия. Ионные загрязнения могут также
возникать на поветхности в результате попадания продуктов дыхания, пота
(хлорид натрия).
Атомные загрязнения-это атомы тяжелых металлов (золота, серебра, меди,
олова), которые чаще всего остаются на пластинах в результате
восстановления из растворов. Металлы могут также вноситься порошками и
отходами машинной обработки, пинцетами, частицами металлических банок для
хранения и др.
Наиболее распространенными способами удаления загрязнений являются:
растворение загрязнений в веществе; превращение загрязнений в растворимые
продукты в результате химической реакции и последующий их смыв;
механическая очистка потоком жидкости ёили газа; газоплазменное травление.
Твердые частицы, оседающие на поверхности полупроводниковых пластин,
после резки, шлифования, скрайбирования удаляют мягкими кистями с помощью
моющих средств. Такой способ очистки называется скруббированием. Кисти
изготовляют из беличьего или колонкового меха, мохера, нейлона и др.
Процесс скруббирования происходит следующим образом. На вращающийся
рабочий стол помещают кассету с пластинами, подают деионизованную воду и
щетками начинают обрабатывать поверхность пластин. Затем подают воду с
добавлением моющего вещества, способствующего отделению от поверхности
пластин твердых частиц. После обработки раствором моющего вещества снова
отмывают поверхности пластин деионизованной водой и сушат пластины
центрифугированием.
Недостаток скруббирования заключается в том, что щетки не могут
проникать в углубления и неровности микронных размеров. Поэтому наибольшее
распространение получил способ очистки, сочетающий отмывку кистями и
промывку струей растворителя или деионизованной воды. Давление жидкости в
струе регулируется и достигает 3*107 Па.
Органические пленки с поверхности пластин удаляют с помощью
органических растворителей: трихлорэтилена, хлористого метилена, хладона,
толуола, ксилола, метилового, этилового или изопропилового спирта,
ацетона, уайт-спирита и др. Пластины обрабатывают в жидком растворителе
либо в его парах. Возможно также сочетание паровой и жидкостной обработок.
Часто растворитель доводят до кипения, после чего производят очистку.
Широко используют ультразвуковую очистку пластин в органических
растворителях. При таком способе очистки в ванну с растворителем помещают
излучатели ультразвуковых колебаний, под действием которых в жидкостях
образуются мельчайшие пузырьки, обладающие высокой проникающей способностью
и способствующие отделению загрязнений от поверхности.
Ввиду токсичности органических растворителей широкое применение
находят водные моющие растворы. Растворыщелочей разлагают растительные и
животные жиры при 80-100°С, причем продукты разложения легко растворяются
и смываются водой. Минеральные масла удаляют 0.5-1.0 %-ными растворами
поверхостно-активных веществ.
Атомные и ионные загрязнения, как правило, удаляют промывкой в
кислотах и деионизованной воде. Проммвка в кислотах позволяет удалить
адсорбированные ионы металлов и растворить оксидные пленки на поверхности
полупроводников. Чаще всего используют азотную, плавиковую, серную,
соляную, уксусную и фосфорную кислоты. Процесс отмывки полупроводниковых
пластин деионизованной водой ведут, постоянно измеряя электрическое
сопротивление воды. По мере снижения концентрации примесей сопротивление
воды постепенно повышается. При установлении постоянного сопротивления
воды процесс отмывки считается законченным.
Кроме кислот для удаления ионных загрязнений используют водные
растворы, содержащие перекись водорода и аммиак. Обработку такими
растворами ведут в течение 10-20 мин при 75- 80 С.
После отмывки пластин в жидкости их необходимо просушить. Обычно после
обработки в водных растворах пластины обрабатывают в органических
растворителях, которые легче и надежнее очищаются от примесей, чем вода.
Поэтому сушку лучше производить после финишной отмывки, например, в
ацетоне или этиловом спирте. Сушку нагревом в термостатах или под
инфракрасными лампами применяют в том случае, когда к поверхности
предъявляют сравнительно низкие требования, так как при испарении с
поверхности пластин на них остаются растворенные в пленке жидкости примеси.
Более качественную сушку пластин производят центрифугированием или обдувом
горячим очищенным газом. В этих случаях значительная часть жидкости
сдувается с поверхности пластин вместе с растворенными в ней примесями.
Плазменное травление, относящееся к так называемым “сухим” cпособам
очистки, проводят чаще всего в плазме кислорода, которая переводит
поверхностные загрязнения в летучие компоненты.
Важной является операция контроля чистоты поверхности пластин,
поскольку только она может показать, насколько эффективны процессы очистки
и пригодны очищенные пластины к передаче для изготовления приборов.
Основными методами контроля чистоты поверхности являются: методы,
основанные на изменении ее смачиваемости, микроскопические, фотометрические
и спектральные.
При окунании пластины в деионизованнуюводу или распылении воды на
влажную поверхность пластины на загрязненных участках не образуется
равномерного слоя воды. Методы, основанные на изменении смачиваемости,
просты, наглядны, но недостаточно чувствительны.
Микроскопические методы основаны на наблюдении поверхности в светлом
или темном поле оптического микроскопа, а также с помощью электронного
микроскопа. При наблюдении в темном поле используется косое освещение,
исключающее попадание в объектив зеркально отраженных от поверхности лучей.
В этом случае выявляются остатки органических растворителей, которые
образуют характерные узоры. узоры. Загрязнения и дефекты на поверхности
полированных пластин астин наблюдаются в виде светящихся точек. Их подсчет
на единице площади пластины ведут при увеличении в 50-400 раз.
Фотометрические, спектральные, а также другие методы контроля- чистоты
поверхности полупроводниковых пластин в пройышленности широкого
распространения не получили. Для обеспечения требуемой чистоты
поверхности полупроводниковых пластин (кроме процессов очистки) в масштабах
предприятия осуществляется целый ряд организационных и санитарно-
гигиенических мероприятий. Обязательным условием получения качественных
пластин является проведение каждой операции на изолированнных друг от
друга производственных участках. Это исключает попадание более крупных
абразивов с операций грубых предварительных обработок в помещения, где
осуществляется доводка. Целесллбразно также внутри участка закреплять
конкретное оборудование за операциями, отличающимися составом используемых
суспензий.
Участки по изготовлению пластин располагаются в помещениях, отвечающих
требованиям первой категории вакуумной гигиены, согласно которым в 1 л
воздуха не допускается присутствие более 70 частиц крупнее 1 мкм. В этих
помещениях создают защитные горизонтальные ламинарные потоки очищенного
воздуха, которые препятствуют попаданию инородных частиц в рабочие зоны
оборудования В качестве дополнительной меры, препятствующей попаданию
частиц, из воздуха на полировальники станков финишного и суперфинишного
полирования, устанавливают специальные защитные колпаки из прозрачного
пластика. Рабочий персонал этих участков обеспечивается спецодеждой и
спецобувью, создающей минимальное количество загрязнений. Кроме того,
ограничивается использование работниками косметических средств.