Таким образом, состояние поверхности подложек опреде­ляется:

• качеством (бездефектностью) исходного материала;

• качеством подготовки поверхности подложек;

• эффективностью очистки подложек от загрязнений.

2.2. Физико-химические основы подготовки гладких поверхностей подложек

Характерными особенностями механических свойств полу­проводниковых материалов являются высокая твердость и их хрупкость. Поэтому для их обработки непригодны традицион­ные методы, такие как точение, фрезерование, сверление, штам­повка. Практически единственным доступным методом явля­ется механическая обработка данных материалов с применени­ем связанных или свободных абразивов.

Механизм обработки свободным абразивом заключается в следующем (см. рис. 2.3). При перемещении обрабатывающе­го инструмента (2) относительно полупроводникового материа­ла наиболее крупные зерна абразива (3) ударяют по его поверх­ности и создают конические трещины (4). Зерна абразива (3) вовлекаются в работу, перемещаясь и переворачиваясь в про­странстве между инструментом (2) и обрабатываемым материа­лом (1). За счет вращения зерен разных размеров действие об­рабатывающего инструмента имеет ударно-вибрационный ха­рактер, а обработка происходит в основном вследствие образо­вания ударных трещин. При пересечении конических ударных трещин образуются выколы (5), которые отрываются от обраба­тываемой поверхности и удаляются вместе с отработанной аб­разивной суспензией (6).

Абразивная суспензия представляет собой жидкость с взве­шенными в ней частицами абразива. Жидкость, в суспензии выполняет следующие функции:

• распределение зерен абразива по поверхности обрабатываю­щего инструмента;

• удаление разрушенных зерен и частиц полупроводника;

• снижение трения и отвод теплоты;

• смягчение ударно-вибрационных усилий;

• ускорение удаления материала за счет расклинивающего дей­ствия в микротрещинах.

При любой абразивной обработке формируется нарушенный слой (см. рис. 2.4). Толщины рельефного d₁ и трещиноватого d₂ слоев зависят от твердости и размера абразивных зёрен. Ус­тановлены эмпирические зависимости, согласно которым d₁=K₁D, d₂=D, где D — средний диаметр зерна абразива. Значения коэф­фициентов К₁ и К₂ в значительной степени зависят от условий обработки даже для одного и того же типа абразива. В среднем для кремния значения данных коэффициентов находятся в пре­делах от 0,5 до 1,5. Достаточно стабильно наблюдается и дру­гая эмпирическая зависимость d₂=4_d.

На рис 2.5 представлена зависимость суммарной толщины нарушенного слоя от размера зерен абразива. Как видно из рис. 2.5, кроме вышеперечисленных факторов, на глубину нарушен­ного слоя существенное влияние оказывает кристаллографичес­кая ориентация полупроводникового материала.

Рис. 2.5. Зависимость суммарной толщины нарушенного слоя от размера зерен абразива для германия и кремния различных крис­таллографических ориентации

При обработке связанным абразивом зерна закреплены в материале обрабатывающего инструмента (см. рис. 2.6). Основ­ным типом усилий в данном случае является срез. Зерно абра­зива при вдавливании в поверхность полупроводника образует царапину на поверхности и трещину в глубине материала. При царапании зерно движется толчками, и царапины формируют произвольную сетку. При пересечении множества царапин и тре­щин происходит удаление частиц материала. По сравнению с обработкой свободным абразивом при обработке связанным абразивом достигается примерно одинаковый класс чистоты поверхности. Однако обработка связанным абразивом характе­ризуется большей производительностью и меньшей толщиной нарушенного слоя.

Наиболее часто для обработки связанным абразивом исполь­зуют стальной или никелевый инструмент (металлическая связ­ка), поверхностный слой которого на глубину до 4 мм насы­щен алмазным зерном (см. рис. 2.6, а). При обработке таким инструментом возникают практически только срезающие уси­лия. Кроме металлов в качестве связки может использоваться керамика или органические материалы (органические смолы, резина, шеллак) (см. рис. 2.6, б).

Изготовление полупроводниковых подложек производят по следующей схеме:

• резка слитка монокристаллического полупроводникового ма­териала;

• двухсторонняя шлифовка подложек;

• снятие фаски по периметру подложки;

• удаление нарушенного слоя химическим травлением либо двухсторонней полировкой;

• финишная полировка рабочей стороны подложек;

• контроль качества изготовления подложек.

Слиток полупроводникового материала для большинства применений имеет форму цилиндра со сформированными вдоль требуемых кристаллографических направлений основным и до­полнительными срезами. Получают слитки, как правило, путем вытягивания из расплава по методу Чохральского с последую­щей калибровкой (обдиркой) до заданного диаметра путем об­точки связанным абразивом (см. рис. 2.7) и формированием основного и дополнительных срезов алмазным инструментом на плоскошлифовальном станке.

Процесс резки слитка заключается в следующем. Слиток с ориентированной осью закрепляют базовым срезом к оправке с помощью специальной клеящей мастики. По методу световых фигур или рентгенографическим методом устанавливают ось слитка заданным образом относительно плоскости реза, соот­ветствующей требуемой плоскости получаемых пластин. Реза­ние слитка проводят либо алмазными кругами с внутренней режущей кромкой (АКВР), либо многопроволочной пилой (см. рис. 2.8). В последнем случае резка может осуществляться как связанным, так и свободным абразивом, подаваемым в зону резки. В настоящее время для разрезания слитков диаметром более 200 мм используют проволочную резку. Это обусловлено тем, что при больших диаметрах слитка пропорционально воз­растают размеры АКВР, что значительно осложняет возмож­ность обеспечения точности и жесткости системы резки без уве­личения расхода кремния на одну подложку. Кроме того, систе­мы проволочной резки более производительны.

После резки слитка подложки характеризуются параметром шероховатости поверхности Rz порядка нескольких мкм, тол­щиной нарушенного слоя более 10 мкм, а также значительным разбросом толщины. Указанные параметры значительно улуч­шаются в результате последующего двухстороннего шлифова­ния подложек свободным абразивом с размером зерна абразива от 5 до 15 мкм, в ходе которого с каждой стороны удаляется 20-30 мкм. После данной обработки подложки имеют высокую

степень плоскопараллельности и разброс геометрических пара­метров в пределах 2 мкм. а также необходимую для фотолито­графических операций плоскостность поверхности. На следую­щем этапе производят снятие фаски по периметру подложки (см. рис. 2.9).

Рис. 2.8. Резка слитков на подложки-алмазным диском с внутрен- ней режущей кромкой (а) и проволочной пилой (б): 1 - цилиндри- ческий барабан; 2 - алмазный круг с внутренней режущей кром- кой; 3 - оправка; 4 - слиток; 5 - подающий ролик; 6 -тонкая проволока; 7 - направляющие ролики; 8 — форсунки для подачи суспензии; 9 - приемный ролик

После операций механической обработки приповерхностный слой подложек остается поврежденным и загрязненным на глу­бину нарушенного слоя порядка 10 мкм. Поэтому на следую­щем этапе проводят удаление слоя толщиной порядка 20 мкм химическим травлением в смеси плавиковой, азотной и уксус­ной кислот либо в водных растворах щелочных растворов КОН или NaOH при температуре 90 °С (кинетика и механизмы трав­ления полупроводников будут рассмотрены в следующей гла­ве). Однако не всегда возможно обеспечить одинаковую скорость травления по площади, особенно с увеличением размеров под-ложки. Для сохранения геометрии подложки для удаления на­рушенного слоя в ряде случаев используют двухстороннее меха­ническое полирование подложек.

Полированием называют получение зеркально гладкой по­верхности путем абразивной обработки подложек мягким по­лировальным инструментом на основе фетра, велюра или батис­та, пропитанных абразивными пастами с крупностью зерен абра­зива от 3 до 0,25 мкм. Различают три механизма полирования.

Согласно первому механизму процесс полирования аналоги­чен шлифованию и рассматривается как супертонкое шлифова­ние. Полирование происходит за счет снятия микрослоя с по­верхности подложки, как в результате среза, так и за счет скола при перемешивании частиц абразива. Качество обработки опре­деляется соотношением между твердостью абразива и полупро­водникового материала и зависит также от формы абразивных частиц. В рамках данного механизма нарушенный слой сво­дится к минимуму, но полностью не удаляется.

Согласно второму механизму под действием абразива на­ружный микрослой полупроводника приобретает пластичность и способность к перемещению (теория пластической текучести). В результате этого движения рельеф подложки выравнивается. В данном случае форма зерна не играет роли, однако важным остается соотношение прочностных характеристик абразива и обрабатываемого материала. За счет выравнивания рельефа по­верхности отличается и характер нарушенного слоя.

Согласно третьему механизму основными являются хими­ческие процессы на поверхности обрабатываемого материала (хи­мико-механическое полирование). При химико-механическом полировании (ХМП) одновременно протекают две части процес-

са - химическая и механическая. Химическая часть процесса заключается в том, что под воздействием теплоты происходит окисление материала подложки (например, в водных суспензи­ях с добавкой щелочей окислителем являются ионы гидро­окисла ОН^-). Механическая часть процесса состоит в том, что частицы абразива удаляют механическим путем слой оксида, переводя его в раствор. В водных суспензиях оксидных абрази­вов (Si0₂, Cr₂0₃, CeO, Zn0₂) даже увеличение среднего размера частиц абразива практически не сказывается на качестве обра­ботки поверхности.

Наконец, окончательного качества полупроводниковых под­ложек добиваются на заключительной стадий изготовления пу­тем ХМП рабочей стороны с помощью полирующей суспензии, представляющей собой коллоидный раствор частиц Si0₂ разме­ром порядка 10 нм в водном растворе NaOH (см. рис. 2.10). Качество получаемой поверхности сложным образом зависит от давления на подложку, скорости вращения, материала поли­ровальника, состава суспензии и рН раствора.

Рис. 2.10. Схема химико-механического полирования подложек

Таким образом, геометрические параметры и качество обра­ботки поверхности подложек определяются рядом технологи­ческих операций механической обработки полупроводниковых материалов:

• толщина подложек закладывается на этапе резки слитка;

• разброс толщины и плоскопараллельность - на стадии двух­сторонней шлифовки подложек;

• качество обработки поверхности подложек на стадиях трав­ления (или двухсторонней полировки) и химико-механичес­кого полирования.