Размещено на http://allbest.ru

Оглавление

Введение

1. Основные сведения о технологических процессах изготовления полупроводниковых приборов и микросхем

2. Характеристика технологических операций

3. Общие сведения об изготовлении подложек

4. Калибровка слитков

5. Разделение полупроводниковых слитков на пластины

6. Формирование фасок на кромках пластин

7. Шлифование пластин свободным и связанным абразивом

8. Способы доводки полупроводниковых пластин полированием

9. Очистка поверхности полупроводниковых пластин

Вывод

Список используемой литературы

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 совершенной атомной структурой и высокой геометрической точностью обеспечения этих качеств разработана оригинальная технология механической, химической и химико-механической обработки монокристаллических 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 во производимость.

На современном оборудовании достигается разрешающая способность, позволяющая получать несколько тысяч линий на миллиметр. Необходимым условием качественной фотолитографии является наличие бездефектных высокоточных фотошаблонов.

Повышение производительности труда обусловлено в первую очередь совершенствованием технологии, внедрением прогрессивных технологических методов, стандартизацией технологического оборудования и оснастки, механизацией ручного труда на основе автоматизации технологических процессов.

Значимость технологии в производстве полупроводниковых приборов и ИС особенно велика. Именно постоянное совершенствование технологии полупроводниковых приборов привело на определенном этапе ее развития к созданию ИС, а в дальнейшем -- к широкому их производству.

1. Основные сведения о технологических процессах изготовления полупроводниковых приборов 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 - плоскость ) 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 определённым 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 комплексы 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 пр.

Формирование самой структуры прибора происходит при групповой обработке, которая состоит из процессов окисления, диффузии примесей, эпитаксии, вакуумного напыления, фотолитографии и технохимической обработки.



Рис. 1. Общая схема процессов производства полупроводниковых приборов.

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.

Рис.2 Схема технологического процесса изготовления эпитаксиально-планарной структуры ИМС (групповая обработка) с транзисторами n-р-n -типа

микросхема полупроводниковый фотолитография

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 обработки - фотолитография, диффузия, контроль и др. - включают до десяти операции, выполняемых по типовым операционным картам и технологическим инструкциям. Общее число операций изготовления 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 мкм, а эмиттера - 0,15 мкм.

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:

N_сумм= (N₀/100)_n*100,

где N_o - средний процент выхода годных структур на единичной операции технологического цикла, n - число операций цикла.

Таким образом, если технологический цикл изготовления прибора содержит 100 операций, то даже при N₀=95 % N_сумм=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 создаются 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, остатков 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 однотипных 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.

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

Исходная эпитаксиальная структура представляет собой кремниевую пластину 2, на поверхности которой выращен эпитаксиальный слой кремния 1 толщиной несколько микрометров. Поверхность эпитаксиальной структуры покрывают защитной пленкой оксида кремния 3 и с помощью фотолитографии 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 изоляции 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 кремния 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..

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) характеризуется 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 температуры применяют способы осаждения пленок SiO₂ из летучих кремниево-органических соединений при 700°С, причем они универсальны 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 маскирующего 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 использование реакции взаимодействия четыреххлористого кремния с аммиаком

3SiCl₄+4NH₃ Si₃N₄+ 12НСl

Нитрид кремния осаждают на установках эпитаксиального наращивания или в диффузионных однозонных печах, снабженных 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 создания защитного рельефа (маски) на поверхности полупроводниковой пластины. Для этого применяют специальный светочувствительный материал - 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. После 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 травлении 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 равной концентрации исходной примеси Nисх в полупроводнике.

Размеры 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.

В качестве легирующих примесей выбирают элементы, имеющие достаточно высокую скорость диффузии и хорошую растворимость в полупроводнике при температуре диффузии.

Для кремния в качестве диффузиантов чаще всего используют элементы III и V групп таблицы 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 требуется обжиг, который проводят при 400-700°С. Внедренные и смещенные атомы при этих температурах приобретают подвижность, достаточную для перехода в вакантные узлы и упорядоченность структуры.

Процесс ионного внедрения характеризуется энергией ионов, плотностью тока ионного пучка и дозой облучения. Изменяя параметры 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 элемента, 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 является 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 полупроводников типа А^IIIВ^V, а в жидкофазной - в основном для получения этатаксиальных слоев арсенида галлия и гетероструктур на его основе (например, GaAs-GaAlAs).

При формировании кремниевых эпитаксиальных пленок способом газофазной эпитаксии используют реакции восстановления тетрахлорида (SiCl₄) или трихлорсилана (SiHCl₃) над кремниевыми подложками. Парогазовая смесь соответствующего состава проходит над нагретой до определенной температуры подложкой, осаждаясь на ней в виде монокристаллического слоя.

Обычно такие процессы осуществляют в кварцевых реакторах. При восстановлении тетрахлорида в качестве газоносителя 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 полупроводникового 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 используется 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 испарении металл нагревают электрическим током или бомбардируют его электронным лучом. Перенос потока испаряемых частиц в пространстве источник - подложка зависит от степени вакуума и определяется длиной свободного пробега молекул. При столкновении 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 электродами 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 пластины разделяют 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 техническим 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 стабильностью технологического процесса.

При необходимости корректируют 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 защитных 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 интегральных микросхем необходимы однородные пластины с поверхностью, свободной от дефектов и загрязнений. Приповерхностные слои пластин не должны иметь нарушений кристаллической структуры. Очень жесткие требования предъявляют к геометрическим характеристикам пластин, особенно к их плоскостности. Плоскостность 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 обеспечения требуемых параметров разработаны различные технологические варианты изготовления пластин. В зависимости от характеристик обрабатываемого материала варианты изготовления имеют свои особенности, но, как правило, состоят из одних и тех же базовых операций, применяемых в различных сочетаниях.

К базовым операциям относят предварительную подготовку разделение его на пластины, шлифование пластины, свободным или связанным абразивом, формирование фасок, химическое 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 является 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 структурно-деформированный 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 поверхности 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. Для получения пластины заданного диаметра осуществляют калибровку выращенного проводникового монокристаллического слитка.

Рис. 5. Калибровка слитка круглым шлифованием: а,б - периферией и торцом круга, 1 - слиток, 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.

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). г-КДБ 10 (100). д-КЭФ 7,5 (111). е-КЭФ (НИ, ж-КЭФ 0,5 (Ill), з-КЭФ 0.2 (111). и-КЭФ 2 (Ill), к-КЭС 0,01 (111)

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.

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.

Алмазный круг с внутренней режущей кромкой. AКВP обеспечивает разделение слитков достаточно большого диаметра (до 200 мм) с высокой производительностью, точностью и малыми потерями дорогостоящих полупроводниковых материалов. 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 хромо-никелевых 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 помещают 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 (твердости, 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 таблице 1.

Таблица 1. Основные технические данные алмазных отреаных кругов с внутренней режущей кромкой

Схему резки полупроводникового слитка кругом АКВР показана на рис. 7. 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.

Рис. 7. Схема резки слитка кругом АКВР:

1 - круг АКВР, 2 - барабан, 3 - слиток, 4 - оправка, 5 - клеящая мастика

Обязательным условием качественного разделения слитка на пластины является правильная установка и закрепление круга

AКBP - это 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 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.

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).

Рис. 8. Фиксация отрезанных пластин с помощью мастики: 1 - слиток, 2 - слой мастики 3 - круг АКВР , 4 - барабан

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.

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).

Рис. 9. Оптический метод ориентации монокристаллов: , а - схема ориентации, б - световые фигуры на плоскостях (1 1 1) и (1 0 0); 1 - слиток ориентации (1 1 1), 2 -плоскость торца, 3 - экран

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).



Рис. 10. Схема формирования фаски профильным алмазным кругом: 1-полупроводниковая пластина 2 - алмазный круг.

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.

Рис. 11 Варианты исполнения фаски: а - с закругленнными кромками; б - закругленной переферией в - со скошенными кромками.

Алмазный круг прижимается к пластине с усилием 0,4-0,7 Н. Ось вращения круга перемещается относительно оси вращения вакуумного столика так, что при обработке полупрводниковые 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 шлифовальнику1.

Рис. 12 Схема одностороннего шлифования связанным абразивом:

1 - шлифовальщик, 2- пластина, 3 -сепататор, 4 - груз

На шлифовальник 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 на то, что глубина нарушенного слоя после шлифования примерно такая же, как и после резки, следует указать на большую равномерность глубины нарушений, вносимых шлифованием.

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. Обработанные 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.



Рис. 13. Схема двустороннего шлифования свободным абразивом: 1 - система охлаждения, 2,7 - шлифовальники, 3,6 - внутренняя и наружная шестерни, 4 - сепараторы , 5 - пластины

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.

...