59

Глава 2.

Пластины монокристаллического кремния

Липинская Т.И., Наливайко О.Ю., Любич Т.М.

Оглавление

2.1 Назначение основные характеристики пластин монокристаллического кремния 2

2.2 Технологический процесс изготовления кремниевых пластин 5

2.3 Механическая обработка пластин монокристаллического кремния 9

2.3.1 Абразивные материалы 9

2.3.2 Абразивная обработка материалов 14

2.4 Шероховатость поверхности. Нарушенный слой 16

2.5 Технологические операции изготовления пластин 19

2.5.1 Калибровка слитков монокристаллического кремния 19

2.5.2 Создание базового среза (лунки) и дополнительных срезов, ориентация слитка кремния для резки пластин 21

2.5.3 Резка слитков на пластины 25

2.5.4 Лазерная маркировка 34

2.5.5 Формирование фаски 37

2.5.6 Контроль параметров пластин после резки 40

2.5.7 Шлифовка пластин 42

2.5.8 Полировка пластин 48

2.5.9 Процессы травления и очистки при изготовлении кремниевых пластин 56

2.5.10 Упаковка 59

2.6 Контроль параметров пластин монокристаллического кремния 61

2.6.1 Параметры, характеризующие кремний монокристаллический, и методы их контроля 61

2.6.2 Параметры, характеризующие внешний вид пластин кремния монокристаллического 63

2.6.3 Параметры, характеризующие геометрию пластин кремния монокристаллического 68

2.6.4 Контроль, параметров, характеризующих геометрию пластин кремния монокристаллического 79

2.6.5 Контроль, параметров, характеризующих внешний вид пластин кремния монокристаллического 82

Литература к главе 2 84

1. Назначение основные характеристики пластин монокристаллического кремния

Производство современных интегральных микросхем (ИС) и дискретных полупроводниковых приборов невозможно рассматривать отдельно от производства пластин.

Конструктивным фундаментом любого полупроводникового прибора и ИС является подложка [1, 2]. В зависимости от конструктивно-технологических особенностей ИС могут использоваться два вида подложек: полупроводниковые (Si, Ge, GaAs) и диэлектрические (стекло, ситалл и др.). Полупроводниковые подложки называются пластинами 3, 4.

Пластина – круглая монокристаллическая полупроводниковая подложка, вырезанная из слитка полупроводникового материала и предназначенная для изготовления полупроводникового прибора или ИС. Основным материалом для производства полупроводниковых приборов и ИС является кремний монокристаллический [2].

Общие тенденции развития микроэлектроники связаны в первую очередь с микроминиатюризацией, повышением степени интеграции микросхем, увеличением размеров кристаллов. При этом диаметр пластин постоянно увеличивается. На рисунке 2.1 представлена тенденция роста диаметра пластин, а на рисунке 2.2 приведены данные об изменении диаметра пластин с момента начала их использования в планарной технологии изготовления полупроводниковых приборов и прогноз на ближайшее будущее 5, 6.

Рисунок 2.1 – Тенденция увеличения размера пластин. 6

За 60 лет (с 1950 по 2012) диаметр пластин увеличился от половины дюйма до 16 дюймов (450 мм), то есть в 36 раз. Объем производства и потребления пластин при этом вырос в сотни раз [5]. В среднем переход на использование пластин большего диаметра происходит с периодичностью в 9 лет. Однако в последнее время имеется тенденция увеличения этой периодичности. Так начало промышленного использования пластин диаметром 450 мм ожидается в 2014 году.

Рисунок 2.2 – Тенденция увеличения диаметра пластин по годам 6

Пластины должны удовлетворять ряду требований по геометрическим параметрам, чистоте поверхности (отсутствие дефектов и загрязнений) и др., которые определяются технологией производства полупроводниковых приборов и ИС [6]. Требования к параметрам пластин монокристаллического кремния изложены в международных стандартах (стандарты SEMI), а также в технических условиях. С увеличением диаметра пластины их толщина также увеличивается. Это необходимо для сохранения жесткости и термомеханической стойкости пластины.

В таблице 2.1 приведены основные характеристики пластин диаметром 60-200 мм.

Таблица 2.1. Основные характеристики пластин диаметром 60÷200 мм

Параметры	Ед. изм.		Диаметр пластин, мм
			60	76	100	150	200
Ориентация поверхности ПМК и базовой метки (базового среза)			базовый срез			базовый срез или лунка	лунка
			для ориентации (111) поверхность пластины разориентирована от плоскости (111) на 4° в направлении [112] к ближайшей плоскости (110) базовый срез или лунка ориентирован в плоскости (110)
			для ориентации (100) поверхность пластины, ориентированна параллельно плоскости (100) лунка или базовый срез параллелен плоскости (011) или
Геометрические параметры
Толщина	мкм		35020	38020	46020	67520	72520
Клин (TTV), не более	мкм		20	20	15	6	5
Прогиб (WARP, BOW), не более	мкм		30	30	40	40	40
Общее отклонение от плоскостности (TIR), не более	мкм		-	-	9	5	3
Отклонение от плоскостности на локальном участке (STIR), не более	мкм		-	-	2,0 10х10 мм	1,0 10х10 мм	1,0 20х20 мм
Качество рабочей поверхности
Трещины, микротрещины, вороньи лапки, следы резки		шт.	отсутствие	отсутствие	отсутствие	отсутствие	отсутствие
Краевые сколы сквозные,		шт.	отсутствие	отсутствие	отсутствие	отсутствие	отсутствие
Краевые сколы несквозные, не более		шт.	2 размером 1,0х1,0 мм	2 размером 1,0х1,0 мм	отсутствие	отсутствие	отсутствие
Царапины, микроцарапины		мм	60	76	75	75	75
Травление поверхности			отсутствие	отсутствие	отсутствие	отсутствие	отсутствие
Загрязнения: пятна, грязь			отсутствие	отсутствие	отсутствие	отсутствие	отсутствие
Светорассеивающие точечные дефекты, размером, не более		шт.		30	20	15	30 размером 0,5 мкм
Структурное совершенство
Плотность окислительных дефектов упаковки, не более n-тип* р-тип*		см-2	- -	- -	5103 1103	5102 1102	5102 1102
Плотность дислокаций, не более		см-2	- -	- -	1103	1102	1102
Нерабочая поверхность
Тип обработки обратной стороны			шлифовано-травленая или полированная			шлифовано-травленая

В зависимости от назначения пластины разделяют на [7]:

• рабочие пластины - предназначены для производства эпитаксиальных структур, полупроводниковых приборов и интегральных схем, параметры рабочих пластин зависят от степени интеграции ИС и ее назначения;

• тестовые пластины - (test wafer - общее название по международным стандартам) могут быть использованы в качестве контрольных пластин, пластин спутников, пластин для настройки механических процессов, балластных пластин. Значения параметров тестовых пластин, как правило, имеют более широкий диапазон значений по сравнению с рабочими пластинами. Однако, контрольные пластины, которые используют для аттестационных процессов, по ряду критичных параметров могут иметь даже более жесткие требования относительно рабочих пластин (например, чистота поверхности, геометрические параметры).

Тестовые пластины могут быть получены из исходного кремния, также как и рабочие, а также путем механической обработки (для удаления сформированных на пластине слоев) пластин, забракованных в кристальном производстве при изготовлении ИС.

В свою очередь тестовые пластины разделяют на:

• тестовые пластины (process test wafer) или контрольные пластины (monitoring wafer), которые используются для контроля и мониторинга процесса производства полупроводниковых ИС, для проведения контрольных процессов. Контрольная пластина (monitor test wafer) может использоваться в качестве спутника, который проходит часть маршрута изготовления ИС вместе с партией рабочих пластин. На пластине-спутнике проверяются электрофизические параметры формируемых слоев (в основном после проведения термических операций);

• механические тестовые пластины (mechanical test wafer), которые используются для тестирования и настройки движущихся частей и механизмов оборудования, Для механической тестовой пластины специфицируются в основном только геометрические параметры;

• реставрированные тестовые пластины – пластины, забракованные в кристальном производстве при изготовлении ИС, подвергнутые механической обработке для удаления сформированных на пластине слоев. Эти пластины имеют обозначение «R» и используются как балластные или тестовые пластины.

• балластные пластины (dummy wafer) – предназначены для обеспечения полной загрузки рабочих зон оборудования с целью достижения наилучшей динамики газовых потоков параметров процесса и повышения однородности формируемых слоев.

Параметры на пластины монокристаллического кремния регламентируются техническими условиями, спецификациями и международными стандартами (в Европе и Америке принят международный стандарт SEMI – Semiconductor Equipment and Materials International).