Технология обработки монокристаллических материалов

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 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.

Рис. 14. Форма износа шлифовальника в виде вогнутости (а) или выпуклости (б) и ее влияние на формообразование пластин

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 происходит 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. 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.

Химическое полирование 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.

Рис. 15 Химическое полирование пластин: держатель, 2 - кассета, 3 - полупроводниковые пластины , 4 -ванна с травителем

Химико-механическое полирование осуществляют в результате совместного воздействия химических и механичкских факторов.

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.

Твердые включения -- это 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 или 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.

Растворы щелочей 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. Промывка 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.

Вывод