/>/>БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ ИРАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра ЭТТ
РЕФЕРАТ
На тему:
«Полупроводниковые пластины и их параметры. Подготовка,разрезание полупроводникового слитка на пластины и обработка»
МИНСК, 2008
/>Материалы, применяемыедля подложек ИС
Наибольшее распространение в полупроводниковой электроникиполучили четыре вида интегральных микросхем: тонкопленочные микросхемы,гибридные, твердые (монтажные) и совмещенные, основанием которых служитподложка выполненная из диэлектрического или полупроводникового материала(стекло, керамика, кварц, кремний, германий, сапфир, ситалл, анодированныйалюминий и др.).
Подложкой принято называть изоляционный или полупроводниковыйматериал виде пластины, шайбы, бруска или диска, который служит общимоснованием для расположения активных и пассивных элементов интегральноймикросхемы.
Поверхность подложек, на которую наносят пассивные иактивные элементы, подвергают специальной механической (шлифовка и полировка) ихимической (травление и промывка) обработке.
Главной задачи механической обработки в производствеполупроводниковых приборов является получение заготовок необходимых размеров,формы и профиля с требуемым качеством поверхности. Эта задача решается путемразрезания слитков на пластины, шлифование и полирование пластин,профилирование их поверхности различными механическими, механохимическими ифизическими методами.
/> Полупроводниковые пластины и их параметры
К качеству поверхности пластин и кристаллов вполупроводниковой технике предъявляют жесткие требования, к которым относятсяследующие:
1. Толщина пластин не должна отличаться от номинала болеечем на ±10 мкм при среднем значении толщины 500 мкм для Siпластин диаметром 100 мм, 675 мкм для диаметра 150 мм и 900 мкм – диаметром 200мм. Соблюдение этого требования необходимо для нормальной работы оборудованияпрактически на всех операциях технологического процесса.
Отклонение диаметра Si пластиндиаметром 100 мм и 150 мм ±0,5 мм. Кремневая пластина имеет вид:
/>
Рис.1. Вид кремниевой пластины.
2. Точность ориентации кристаллической плоскости пластиныдолжна находится в пределах ±0,5º, так как от этого зависитвоспроизводимость процессов окисления, диффузии, имплантации примесей и т.д. Наиболеечасто используют кристаллы, вырезанные по плоскостям (111) в биполярной и (100)в МДП-технологии.
3. Плоскопараллельность пластин регламентируется отклонениемот плоскости не более ±5 мкм по всему диаметру пластины.
4. Сведение к минимуму или полное отсутствие механическинаружного слоя. Это требование связано с малой глубиной залегания диффузионныхили имплантированных p-nпереходов.
5. Шероховатость рабочей стороны не должна превышать 0,05мкм (Rz
Она имеет скругленный край по периферии с целью предотвращенияпоявления сколов и трещин при ударах об опоры и края кассет вавтоматизированных системах транспортировки. Скругленный край позволяет такжеизбавиться от возникновения краевого утолщения («валика») принанесении фоторезиста и «короны» при эпитаксиальном наращивании.
Рабочая сторона пластин должна быть полированной высокойстепени структурного совершенства, без остаточного нарушенного слоя.
Механические нарушения (риски, царапины, выколы,микротрещины) приводят к изменению характеристик ИМС и их деградации. Нерабочаясторона может быть шлифовано-травленной или полированной. На поверхностипластины должны отсутствовать загрязнения, пятна, остатки наклеечных веществ.
Для визуального определения ориентации, типаэлектропроводности и удельного сопротивления кремниевых пластин на них имеетсябазовый и дополнительный срезы.
/>
Рис.2. Виды пластин: а – КДБ 10 (111); б – КЭФ 4,5 (100); в– КЭФ 4,5 (111).
Базовый срез служит для базирования пластин в установкахлитографии. Его длина для пластин диаметр 76 и диаметр 100 мм составляет 20–25и 30–35 мм. Выполняют его в определенном кристаллографическом направлении. Вдальнейшем параллельно срезу будет располагаться одна из сторон кристалла в готовойИМС. Дополнительные срезы находятся под углом 45º, 90º или 180ºк основному и имеют длину 9–11 и 16–20 мм для пластин диаметром 76 и 100 мм.
На пластинах из арсенида галлия дополнительный срез,расположенный под углом 90º к базовому используют для маркировки рабочейстороны, а параллельный базовому – для обозначения разориентации плоскостипластины относительно кристаллографической плоскости.
/>
Рис.3. Пластины с разориентацией (а) и без разориентации (б).
Для изготовления пластин из полупроводниковогомонокристаллического слитка используют следующий маршрут: подготовка слитка иразделение его на пластины, предварительная, а затем окончательная обработкапластин.
/> Подготовка и разрезание полупроводникового слитка на пластины
Слитки калибруют (шлифуют) по диаметру в связи с тем, чтопосле выращивания они могут иметь конусность и волнистость цилиндрическойповерхности, а также отклонения диаметра превышающие допустимые значения (длядиаметра 100 мм ±0,5 мм). Шлифовку выполняют по наружному диаметру науниверсальных круглошлифовальных станках алмазным шлифом. Кругом зернистостьюАСМ 50/40.
Схема подготовки и разрезания полупроводникового слитка напластины:
· Приклеивание центров к слитку;
· Калибрование слитка по диаметру;
· Отклеивание центров от слитка;
· Подготовка торцов слитка к ориентации;
· Ориентация базового среза на слитки и проверкаориентации торца;
· Изготовление срезов на слитке;
· Ориентированное наклеивание слитка;
· Разрезание слитка на пластины;
· Химическая очистка пластин;
· Контроль пластин после резки.
/>
Рис.4. Шлифование слитков.
Перед шлифовкой к торцу слитка (4) наклеечной мастикой (3) приклеиваютцентры (2). При этом необходимо выдерживать соосность слитка и лини центров,чтобы припуск на обработку был равномерно распределен по окружности сеченияслитка.
Режимы обработки слитка: частота вращения шлифовальногокруга (2500±500) об/мин, частота вращения шпинделя передней бабки (350±50) об/мин,скорость перемещения стола 2–4 м/мин, радиальная подача шлифовального круга0,005 – 0,02 мм/дв. ход.
При шлифовке по диаметру слиток охлаждают водой илиспециальной жидкостью для отвода тепла из зон шлифования.
После калибрования слитка центры отклеивают и подшлифовываютторцы слитка, подготавливая его для ориентации.
Для определения кристаллографического направления, вдолькоторого должен быть расположен базовый срез, а также значения и направленияотклонения плоскости торца слитка от заданной кристаллографической плоскостииспользуют рентгеновские дифрактометрический метод. Он основан на особенностиотражения падающих рентгеновских лучей плоскостями кристаллической решетки.
/>
Рис.5. Определение кристаллографического направления: 1 –слиток; 2 – счетчик Гейгера; 3,5 – отраженный и падающий луч; 4 – торец слитка;6 – рентгеновская трубка.
Для каждой кристаллографической плоскости существует свойугол θ, значение которой приводится в справочниках, интенсивностьотраженного излучения при котором будет максимальна.
Угол δ указывают в сопроводительном листе на слиток. Плоскостьбазового среза определяют аналогично, только рентгеновский пучок направляют вплоскости оси слитка на его цилиндрическую поверхность. При вращении слиткавокруг оси регистрируют счетчиком Гейгера максимальную интенсивностьотраженного пучка (рентгеновские ус-ки УРС–50И, ДРОН–2, ДРОН–3).
Изготовление базового и дополнительного срезов осуществляютпутем шлифовки по всей длине слитка на плоскошлифовальных станках алмазнымшлифовальным кругом зернистостью АСМ50/40. Слиток закрепляют в специальномзажимном приспособлении, чтобы отметка ориентации среза располагаласьпараллельно базовой плоскости приспособления. Приспособление устанавливают наметаллическом столе станка (тип 9927 или 3Г71). При шлифовке дополнительногосреза слиток разворачивают на угол между этим срезом и базовым. В зонушлифований подают охлаждающую жидкость. Контролируют ширину среза миллиметровойлинейкой.
Перед разрезанием слитка на пластины производят егоориентированное наклеивание. Монокристаллический слиток приклеивают наклеечноймастикой торцевой или цилиндрической поверхностью к основанию или подложке вспециальной оправке и вместе с ней устанавливают на держатель, расположенный настанке.
При резке слитков больших диаметров их наклеивают торцовой ицилиндрической поверхностями одновременно.
Для ориентированной резки позволяют повернуть оправу сослитком в горизонтальной и вертикальной плоскостях на угол разориентации.
Для разрезания полупроводниковых слитков на пластины ранееиспользовались такие методы, как резка диском с наружной режущей кромкой,проволокой или полотнами, шаржированнными алмазами.
В последнее время наибольшее распространение получил методрезки, при котором в качестве режущего инструмента используют диск с внутреннейалмазной режущей кромкой.
Инструмент представляет собой тонкий (от 0,1 до 0,15 мм) металлическийдиск (основа) с центральным отверстием, на кромку которого гальваническимспособом нанесен алмазный слой с никелевой связкой.
Алмазные зерна имеют размеры 40 – 60 мкм при резке кремния и20–40 мкм при резке арсенида галлия.
/>
Рис.6. Диск для резки слитков на пластины.
Наружный диаметр диска и диаметр его центрального отверстиязависит т диаметра разрезаемого слитка и для слитков диаметром 200 мм могутбыть соответственно 685 и 254 мм.
/>
Рис.7. Установка для резки слитка на пластины: 1 – шпиндель;2 – диск; 3 – слиток; 4 – держатель слитка.
Слиток (3), закрепленный в держателе (4), разрезаетсяалмазной кромкой вращающегося диска при перемещении слитка или диска внаправлении, перпендикулярном оси барабана.
Отрезанные пластины попадают в сборник, заполненный водой,остаются на оправке или удаляются вакуумным съемником. При резке разрезаемыйматериал деформируется, алмазные зерна трутся об него и выделяется большоеколичество теплоты. Поэтому алмазный диск непременно охлаждают водой илиспециальной охлаждающей жидкостью.
После резки контролируют геометрические параметры пластин: толщину,разброс толщины в партии пластин и в пределах площади пластин – разнотолщинность.
/>
Рис.8. Примеры дефектов пластин: Δh= h2-h1 – разнотолщинность;
δ – неплоскостность; F – прогиб.
Качество поверхности характеризуется шероховатостью иглубиной нарушенного слоя.
Шероховатость: среднее арифметическое отклонение профиля Ra, высота микронеровностей Rz.
После резки параметры шероховатости должны находится впределах Rz=1–1,5 мкм, Ra=0,2–0,3мкм.
Нарушенный слой после резки состоит из трех зон.
/>
Рис.9. Структура поверхности пластины после резки.
I – зона рельефа споликристаллической структурой, толщина которой 0,2–0,5 высоты микронеровностей.
II – зона трещин и дислокационныхскоплений, которые являются главным дефектом резки. Второй слой в 3–6 раз толщепервого.
III – зона с остаточным упругиминаправлениями.
Знать глубину нарушенного слоя необходимо для того, чтобыправильно назначить припуск на последующую сборку, при которой должна бытьполностью удалена зона трещин и дислокаций.
Оперативно контролировать глубину нарушенного слоя можноселективно протравливая поверхность косого или сферического шлифа и анализируяего с помощью оптического микроскопа.
Глубина зоны трещин после резки обычно не превышает 15–20мкм.
/> Обработка полупроводниковых пластин после резки
Операции резки не обеспечивает требуемых точности и качестваповерхности пластин: имеются погрешности формы (неплоскостность,непараллельность плоскостей, изгиб), значительный нарушенный слой и большиеотклонения по толщине.
Поэтому необходима дальнейшая обработка, которую выполняют сиспользованием абразивных материалов и подразделяют на предварительную иокончательную.
Предварительная обработка полупроводниковых пластин:
· Пластины после резки;
· Термообработка пластин;
· Двухсторонняя шлифовка пластин;
· Химическая очистка пластин;
· Скругление края;
· Травление пластин;
· Контроль пластин после травления.
Пластины больших диаметров (≥100 мкм), полученныепосле разрезания слитка, подвергают термообработке при температуре t=600ºС. Термообработку проводят для получения заданногоудельного сопротивления кремния.
Затем выполняют шлифовку плоских поверхностей пластин, и химическуюочистку, скругление краев и травление наружного слоя. Оно выполняется дляуменьшения припуска на последующую окончательную обработку рабочей стороны иснятия остаточных механических напряжений от шлифовки. Иногда нарушенный слойстравливают не полностью для создания механического геттера на нерабочейстороне пластины – области стока для дефектов и вредных примесей. При такойобработке нерабочая сторона пластины остается матовой.
ЛИТЕРАТУРА
1. Технология производства ЭВМ / А.П. Достанко, М.И. Пикуль, А.А. Хмыль: Учеб.– Мн. Выш. Школа, 2004 – 347с.
2. Технология деталей радиоэлектронной аппаратуры. Учеб. пособие для ВУЗов/ С.Е. Ушакова, В.С. Сергеев, А.В. Ключников, В.П. Привалов; Под ред. С.Е. Ушаковой.– М.: Радио и связь, 2002. – 256с.
3. Тявловский М.Д., Хмыль А.А., Станишевский В.К. Технология деталей ипериферийных устройств ЭВА: Учеб. пособие для ВУЗов. Мн.: Выш. школа, 2001. –256с.
4. Технология конструкционных материалов: Учебник для машиностроительныхспециальностей ВУЗов / А.М. Дольский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др.; Подред.А.М. Дольского. – М.: Машиностроение, 2005. – 448с.
5. Зайцев И.В. Технология электроаппаратостроения: Учеб. пособие для ВУЗов.– М.: Высш. Школа, 2002. – 215с.
6. Основы технологии важнейших отраслей промышленности: В 2 ч. Ч.1: Учеб. пособиедля вузов / И.В. Ченцов.