5. Технологические операции изготовления пластин

   1. Калибровка слитков монокристаллического кремния

Длина слитков, выращенных по методу Чохральского, достигает 2 м [2]. Однако свойства кристаллического кремния вдоль слитка изменяются. В частности удельное сопротивление в зародышевой части слитка имеет более высокие значения, а в хвостовой части слитка – более низкие значения. Содержание кислорода в кремнии также изменяется вдоль слитка. Кроме того, боковая поверхность слитка не всегда идеально цилиндрическая и имеет колебания по диаметру (рисунок 2.5). При производстве ИМС и полупроводниковых приборов используется кремний с определенными параметрами. Поэтому первоначально отрезаются затравочная и хвостовая часть слитка, а также части слитка, удельное сопротивление и содержание кислорода в которых выходит за пределы установленных допусков. Обычно разрезание слитка на части выполняется производителем кремния, при этом длина частей слитка определяется по согласованию с потребителем с учетом требований к параметрам кремния и особенностей станков для резки слитков.

Калибровка слитков кремния по наружной поверхности предназначена для получения слитков заданного диаметра. Шлифовка по наружному диаметру проводится на круглошлифовальных станках алмазным шлифовальным кругом на металлической основе зернистостью АСМ 50/40 1, 4. К торцам слитка приклеивают центры и закрепляют слиток с помощью специальных устройств (бабок) на станке. При калибровке слиток совершает вращательно-поступательное движение, при этом режущий инструмент постепенно удаляет избыточный материал. Калибровка проводится до тех пор, пока не будет достигнут требуемый диаметр. В качестве охлаждающей жидкости используется вода.

Рисунок 2.5 – Слитки кремния различного диаметра 14

Для калибровки используют как универсальные станки (3У12 [4]), так и специализированные (АКС 800 [4], СSN-4515, СSN-7020 фирмы TOKYO SEIKI KOSAKUSHO CO., LTD. [23]). При обработке слитков на универсальных станках, как правило, используются алмазные круги одной зернистости 80-100 мкм (АС4 100/80), глубина нарушенного слоя при этом достигает 150-200 мкм. При использовании специализированных станков калибровку проводят в два этапа: Сначала за первые черновые проходы снимают основной припуск алмазными кругами зернистостью 80-100 мкм (АС4 100/80), затем осуществляют чистовую обработку алмазными кругами зернистостью 28-40 мкм (АС4 40/28), при этом величина нарушенного слоя составляет 50-80 мкм.

На рисунке 2.6 показан специализированный станок шлифовки с числовым программным управлением СSN-7025 фирмы Peter Wolters [23]. Загрузка - выгрузка слитка проводится с помощью специального ручного центрирующего загрузочно-разгрузочного устройства (рука). Размещение слитка выполняется с помощью системы поперечной подачи, параметры слитка по обработке внешнего диаметра полностью контролируются числовым программным управлением (ЧПУ).

Рисунок 2.6. Специализированный станок калибровки СSN-7025 23

Лучше тут взять рисунок 1.23 из Зи

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

В процессе роста слитка монокристаллического кремния могут возникнуть отклонения его ориентации от заданного кристаллографического направления так, что геометрическая ось цилиндрического слитка будет отличаться от кристаллографической оси. Для получения пластин, имеющих ориентацию поверхности в строго заданной плоскости, перед резкой слитков на пластины необходимо определить отклонение ориентации плоскости торцов слитка от заданной кристаллографической плоскости.

Кроме того, необходимо определить кристаллографическое направление, вдоль которого должен быть расположен базовый срез. Базовый срез обычно располагают определенным образом относительно некоторого кристаллографического направления 2, 4, 24-26. Для пластин монокристаллического кремния диаметром 60, 76, 100, 150 мм обычно используют базовый срез, для пластин диаметром 200 мм и выше используют лунку (рисунок 2.7).

Базовый срез (primary flat) или основной срез – участок периферии круглой пластины, который обрезан по хорде [7].

Лунка (notch) – специально изготовленное углубление определенной формы и размеров, ориентированное таким образом, чтобы диаметр, проходящий через центр лунки, был параллелен определенному кристаллографическому направлению [7].

Базовый срез (лунка) предназначен для:

• ориентации пластин одинаковым образом в кристальном производстве, оборудование которого, оснащено автоматизированными системами ориентации;

• ориентации ИС относительно кристаллографических направлений строго определенным образом.

а) базовый срез б) лунка

Рисунок 2.7 – Базовая метка на пластине монокристаллического кремния [24]

Дополнительный срез (secondary flat) – предназначен для идентификации типа проводимости кремния и ориентации поверхности пластины, имеет длину, меньшую, чем базовый срез. На пластине может быть один или несколько дополнительных срезов, дополнительные срезы, как правило, расположены под углом 45, 90, 135, 180, 225 по отношению к базовому срезу. Дополнительные срезы обеспечивают быструю сортировку и идентификацию пластин при их случайном перемешивании. На пластинах большого диаметра идентификацию пластин проводят с помощью лазерной маркировки.

Для определения ориентации базовой метки и ориентации поверхности торцов слитка и поверхности пластин используются два основных метода [1, 4]:

• оптический

• рентгеновский.

Оптический метод – основан на изменении положения световой фигуры, полученной при отражении света от углублений на поверхности кремния (фигур травления), образованных из-за различия в скорости травления полупроводникового материала по различным кристаллографическим направлениям. На поверхности торца слитка монокристаллического кремния после травления в селективном травителе образуются углубления с правильными гранями. Отраженный от этих углублений пучок света (обычно луч лазера) образует на экране световую фигуру, по положению которой можно оценить величину отклонения кристаллографической плоскости от плоскости торца слитка. Отклонение реальной поверхности торца слитка от кристаллографической плоскости приводит к отклонению отраженного луча на экране на некоторое расстояние d (рисунок 2.8) характеризующееся углом  к реальной поверхности от кристаллографической плоскости. Вид световой фигуры зависит от ориентации поверхности. Для ориентации (111) характерна фигура в виде трех лепестков, для ориентации (100) в виде четырех (рисунок 2.8) 1.

Перед началом ориентации установку световой ориентации настраивают по эталонной пластине для определения положения изображения световых фигур. Затем слиток кремния помещают в специальный держатель, поворотом слитка вручную вокруг оси выбирают необходимое направление по положению изображения световой фигуры и прижимным винтом закрепляют слиток кремния в держателе. Держатель со слитком переносят на станок для создания базового среза.

Рисунок 2.8. Схема определения ориентации пластин оптическим методом (а) и вид изображения световых фигур(б) [1]

Аналогично проводят ориентацию поверхности пластины перед резкой слитка на пластины. Только при этом необходимо отметить углы поворота слитка для крепления слитка на станке резки.

Оптический метод – более простой, однако менее точный по сравнению с рентгеновским оптический метод требует дополнительных затрат при подготовке торца слитка к ориентации (тщательная подшлифовка торца, травление при определенных режимах в селективном травителе) Этот метод непригоден для слитков диаметром выше 150 мм, а также при резки на станках струнной резки.

Точность ориентации составляет 30' – 1 в зависимости от ориентации слитка.

Рентгеновский (дифрактометрический) метод основан на особенности отражения падающих рентгеновских лучей плоскостями кристаллической решетки [4]. Если пучок параллельных монохроматических рентгеновских лучей с длиной волны  падает под углом  на кристаллографическую плоскость, он отражается от нее под тем же углом (рисунок 2.9).

1 – слиток; 2 – счетчик Гейгера; 3,5 – отраженный и падающий луч; 4 – торец слитка; 6 – рентгеновская трубка

Рисунок 2.9. Схема ориентации слитка рентгеновским дифрактометрическим методом [4]

Этот процесс описывается уравнением Вульфа-Брегга:

n = 2dsin, (2-2)

где d - межплоскостное расстояние;

 - угол между падающим лучом и кристаллографической плоскостью;

n - период отражения (n = 1);

 - длина волны рентгеновского излучения.

Когда плоскость торца контролируемого слитка 1 совпадает с искомой кристаллографической плоскостью, достаточно установить ее под углом  к падающему рентгеновскому пучку5, чтобы интенсивность отраженного от плоскости пуска 3, измеренная счетчиком Гейгера 2, достигла максимального значения. Для каждой кристаллографической плоскости существует свой угол , значение которого приводится в справочниках. При отклонении торца от плоскости (111) на угол  слиток необходимо повернуть на этот угол, для того чтобы выполнилось уравнение Брегга.

Слиток поворачивают в двух плоскостях: в плоскости, перпендикулярной его оси, в с плоскости падения пучка. После получения максимальной интенсивности отраженного пучка расположение кристаллографической плоскости определяется углами  и  между торцом слитка и падающим, а также отраженным рентгеновскими пучками [4]:

 = ( - ).2 (2-3)

Эти углы измеряют гониометром. Плоскость базового среза определяют аналогично, при этом рентгеновский пучок направляют перпендикулярно оси слитка на его цилиндрическую поверхность. При вращении слитка вокруг оси регистрируют счетчиком Гейгера максимальную интенсивность отраженного пучка.

После проведения ориентации слитка на его торце указываются углы, на которые необходимо повернуть слиток при снятии формировании базового среза и ориентации слитка при наклейке на держатель. Этот способ обеспечивает высокую точность ориентации.

Рентгеновский метод получил широкое распространение. В настоящее время выпускаются специализированные гониометры для определения ориентации, например, фирма Delta Technologies (Франция) выпускает рентгеновские гониометры серии GM SI Series для определения положения базового и дополнительных срезов или лунки, GM Series для измерения ориентации поверхностей кристаллических материалов, GM WS Series – для ориентации слитка перед его наклейкой на держатель станка проволочной резки [27]. Фирма Rigaku (Япония) выпускает рентгеновские системы, например, GOX – для измерения определения положения базового и дополнительных срезов или лунки, SAM-3 – для автоматического измерения кристаллографической ориентации оси слитка, FSAS II – для автоматического измерения кристаллографической ориентации поверхности и плоскостей базового и вспомогательных срезов пластины [28].

Создание базового и дополнительных срезов осуществляют путем шлифовки слитка вдоль соответствующей кристаллографической плоскости. Шлифовка проводится на плоскошлифовальных станках (например, 3Е711 [4]) или специализированных станках (АКС 800 [?], СSN-4515, СSN-7020 фирмы TOKYO SEIKI KOSAKUSHO CO., LTD. [23]). При шлифовке дополнительного среза слиток поворачивают на угол между этим срезом и базовым срезом. Для создания лунки используют только специализированные станки (например, СSN-7020 фирмы TOKYO SEIKI KOSAKUSHO CO., LTD. [23]), в качестве круга применяют специальный алмазный инструмент в виде бура. Схема калибровки слитка и шлифовки базовой метки показана на рисунке 2.10.

Шлифовка базового (дополнительного) среза

Шлифовка внутреннего диаметра

Шлифовка лунки

Рисунок 2.10 – Калибровка слитка и формирование базовой метки (базового и дополнительных срезов, лунки) 23.