книги из ГПНТБ / Мазель Е.З. Планарная технология кремниевых приборов

повой обработки пластин травление используется в основном для фотолитографии н удаления прпмесно-силпкатного стекла после диф­ фузии. Специфической особенностью плаиарной технологии можно назвать широкое использование химических методов окрашивания р-п переходов на косых шлифах; эти методы далее будут рассмот­ рены достаточно подробно.

Газовое травление в настоящее время применяется главным образом для подготовки поверхности пластин перед эпнтаксиальным наращиванием. Можно ожидать, что в ближайшем будущем эффек­ тивные способы газовой очистки поверхности найдут применение и на других стадиях технологического процесса, в частности при окис­ лении пластин. Ионное травление в плаиарной технологии пока еще мало распространено.

конечно, носит несколько условный характер, поскольку газовое или химическое травление также служит целям очистки поверхности. От­ личие заключается в том, что под термином «очистка» в плаиарной технологии обычно понимают обработку, не удаляющую часть крем­ ния, как это происходит -при газовом и химическом травлении, а только способствующую устранению с поверхности кремния или двуокиси кремния загрязнений и примесей.

сложнее его, поскольку в кремнии требуется полностью удалить приповерхностные нарушенные слои. Большая, чем у стекла, хрупкость кремния обусловливает появле­ ние сколов на краю пластин, выколок на плоскости и других недопустимых нарушений; кроме того, в некото­ рых случаях может сказаться анизотропия физико-меха­ нических свойств кремния. Тем не менее для понимания механизма формообразования кремниевой пластины мож­ но воспользоваться представлениями, содержащимися в обширной литературе по обработке стекла (см., напри­ мер, [Л. 2-5, 2-6]).

Абразивную обработку согласно этим представлени­ ям можно разделить на два вида: обработку свободным или связанным абразивом. В основе обоих видов лежит хрупкое разрушение кремния, но во втором случае до­ бавляется срезание выступов поверхности закрепленным зерном абразива.

Первоначально считалось, что шлифовка и полировка

30

Как уже отмечалось, при •пересечении конических тре­ щин образуются выколки, и в результате возникает ха­ рактерный рельеф. Гораздо глубже проходят лепестко­ вые трещины, образующие трещиноватый слой. Глубины рельефного /г и трещиноватого слоя F зависят в основ­ ном от характеристик абразива, в частности от размеров зерен и их прочности. Для определенного вида абразива с размером D основной фракции зерен имеют место за­

висимости: h=k\D и F^kvD.

В работе :[Л. 2-8] для кремния и германия показано, что независимо от размера абразивных зерен справед­ ливо соотношение F — 4h. Однако .коэффициенты ki и k% в разных публикациях достаточно сильно различаются;

Процессы механической обработки молено в принципе

венна. Физическое воздействие жидкостей заключается в распределении абразивных зерен по поверхности и вы­ мывании разрушенных зерен, а также частиц материала; смазывании поверхностей и отведении тепла; смягчении ударно-вибрационных усилии. Химическое воздействие жидкостей приводит к гидратации поверхности или образованию окислов и других соединений, что особенно ьажно для процессов полировки. Наконец, жидкость, по­ падая в микротрещины, способствует разрушению мате­ риала. Добавление к жидкостям поверхностно-активных веществ сильно влияет на характеристики процесса шли­ фовки. Это'явление связано с тем, что в тонких слоях (0,1 мкм) жидкость становится похожей на упругое твердое тело и расклинивает микротрещины [Л. 2-6].

Обработка связанным абразивом заметно отличается по характеру от рассмотренной обработки свободным абразивом. Исследования шлифовки стекла [Л. 2-5] по­ казали, что если закрепленным зерном а'бразива прове­ сти, надавливая, линию по поверхности, то на ней обра­ зуется царапина, а в толще материала — трещина. Зерно при царапании движется толчками, так что царапины образуют подобие сетки. При пересечении множества царапин и трещин, созданных абразивными зернами, отделяются частицы материала. Качество поверхности при обработке свободным и связанным абразивом 'Мож.ет

33

быть достигнуто 'примерно одинаковое. Однако при одном и том же числе свободных и закрепленных зерен во вто­ ром случае производительность обработки выше, а на­ рушение материала — меньше. Скорость шлифовки сво­ бодным абразивом не 'может быть в принципе высокой, так как в основе процесса лежит ударно-вибрационное действие перекатывающихся зерен. При больших ско­ ростях зерна увлекаются шлифовалы-шком и, не работая, скользят по поверхности кремния, оставляя глубокие царапины. Кроме того, при больших скоростях иод дей­ ствием центробежных сил происходит вынос абразива. В силу этих причин для шлифовки .свободным абрази­ вом характерны линейные скорости перемещения шлнфовалышка 1—2 м/сек, в то время как для шлифовки свя­ занным— более 10 м/сек.

При шлифовке свободным абразивом все ударное усилие направлено внутрь материала, зерна раскалыва­ ют его, вызывая серьезные нарушения. При шлифовке связанным абразивом часть усилий направлена вдоль поверхности, и при одинаковой толщине удаленного слоя разрушения в оставшемся материале уменьшаются.

Важным качественным фактором, характеризующим процесс обработки связанным абразивом, является тип связки. В зависимости от способа закрепления зерен абразива различают несколько типов связок: твердые и вязкие; твердые и хрупкие; мягкие и пластичные; упру­ гие. Примером инструмента с твердой и вязкой связкой служат металлические шлифовальники, в которых зерна абразива надежно закреплены. Обычно используют ни­ келевые круги с алмазным абразивом. При обработке таким инструментом происходит только царапание и срезание выступов на поверхности; при этом обеспечива­ ется малая толщина нарушенного слоя. Недостатком применения твердых и вязких связок является то, что кромки зерен быстро тупятся, производительность па­ дает и круг приходится часто править, т. е. удалять сра­ ботавшиеся зерна и выравнивать поверхность. Улучшить положение позволяют твердые и хрупкие связки, напри­ мер керамические и бакелитовые. При определенном усилии зерна могут вырываться из такой связки; удале­ ние затупленных зерен обеспечивает самозатачивание инструмента.

Применение мягких пластичных связок, таких, как медь, лекоканнфольная смола, настолько изменяет ха-

рактеристики процесса, что иногда проводят разделение обработок не на два типа (свободным и связанным абра­ зивом), а на три, выделяя обработку полусвязанным абразивом, при которой 'медный или смоляной диск шар­ жируется абразивными зернами на определенную глу­ бину. В процессе шлифовки или полировки работающие зерна «утапливаются» в материал шлифовалы-шка, под­ равниваясь с неработающими и вовлекая их в работу. Отдельные зерна могут вырываться из основы шлифовальника, перекатываться и затем снова закрепляться в 'Шлифовальнике. При этом острые кромки выступают наружу, так что производительность обработки поддер­ живается на достаточно высоком уровне. Шаржирова­ ние можно осуществлять и в процессе обработки, добав­ ляя абразивную пасту. При обработке кремния, как показано в работе [Л. 2-10], лучшие результаты обеспе­ чивает предварительная шаржировка. Упругие связки применяют преимущественно для полирования. К ним относятся мягкие полировальники из войлока, фетра, велюра, батиста.

Процесс полирования отличается от шлифования не только типом связки и меньшим размером зерен абра­ зива, но и большим вкладом химических процессов. При полировке алмазными порошками, окислами железа и алюминия фактор механического воздействия остается основным, как и при шлифовке, но уже процесс полиро­ вания двуокисью кремния и окислами редкоземельных элементов нельзя объяснить без учета химических реак­ ций. Например, при полировке двуокисью кремния раз­ меры частиц Si0 2 могут достигать больших размеров, но это не отразится на качестве поверхности. Параметры процесса определяются такими свойствами полироваль­ ного состава, как концентрация водородных ионов. Про­ текающие химические реакции достаточно сложны и до конца не выяснены. Предполагается, что основную роль в реакциях играет растворение гидратированной поверх­ ности кремния. Таким образом, этот процесс является химико-механическим полированием. Еще отчетливее хи­ мическая сторона проявляется в способе полирования, основанном на применении двухвалентного иона меди [Л. 2-12]. При такой полировке на полировальник из син­ тетической замши подают раствор фтористого аммония и азотнокислой меди. На поверхности кремния осажда­ ется чистая медь; одновременно (за счет разряда ионов

34

Si+'' -I-6F- —>SiFG—;

S i F - - + 2 ( N H 1 ) + - ( N H 1 ) 2 S i F 0 .

Слой меди удаляется полировальником механически, на чистую поверхность снова осаждается медь, и крем­ ний продолжает растворяться.

Качество и производительность полировки определя­ ются тремя химическими факторами: составом раствора, его рН, температурой — и одним механическим, а именно удалением меди полировальником. Если к раствору до­ бавлять азотную кислоту, скорость удаления кремния возрастает, но качество полировки ухудшается. Пленка меди становится рыхлой, поднимается, обнажая участки кремния, независимо от механического воздействия. Это говорит о том, что удаление меди шлифовальником игра­ ет важную роль в рассматриваемом процессе, оно обес­ печивает получение гладких поверхностей.

В заключение следует указать на одно важное об­ стоятельство, связанное с механической обработкой. Речь идет о том, что после шлифовки в нарушенном слое кремния возникают расклинивающие усилия. Если одна из поверхностей пластины шлифованная, а другая—поли­ рованная, то за счет расклинивающих усилий происходит заметный изгиб пластины. Этот эффект, получивший на­ звание эффекта Тваймана, зависит от соотношения тол­ щины и диаметра пластины, а также от размеров зерна абразива, использовавшегося при шлифовке [Л. 2-13]. Например, для кремниевой пластины толщиной 150 мкм, шлифованной с одной стороны порошком М10, стрела прогиба составляет 60—70 мкм. При дальнейших тех­ нологических обработках деформация пластины сохра­ няется, а после термических операций может возрастать [Л. 2-14]. Деформированные пластины непригодны для фотолитографии, чаще ломаются. Для устранения эф­ фекта Тваймана следует применять одинаковую обра­ ботку обеих поверхностей пластин, не оставляющую нарушенных слоев.

2-3. ТЕХНОЛОГИЯ РЕЗКИ, ШЛИФОВКИ И ПОЛИРОВКИ ПЛАСТИН КРЕМНИЯ

Технологическая последовательность механической обработки достаточно полно представлена в литературе [Л. 1-1—1-4]. Рассмот­ рим отдельные, представляющие интерес вопросы. На рис. 2-5 схематически показаны процессы механической обработки, сочетаю­ щиеся в ряде случаев с химической обработкой.

втакой последовательности:

1.Предварительная шлифовка карбидом кремния М-14 на стек­ лянном шлифовалышке до 6—7-го класса чистоты; толщина удаляе­

мого слоя 50 мкм, скорость удаления 1,5 MKMJMUH.

2. Основная шлифовка карбидом кремния М-10 на стеклянном шлифовальнике до 8—9-го класса чистоты; толщина удаляемого слоя 30 мкм, скорость удаления 1,0 мкм/мин.

3. Окончательная шлифовка корундом М-5 на стеклянном или тюлихлорвнннловом шлифовальнике до 10-го класса чистоты; удаляе­ мый слой — 20 мкм, скорость 0,17 мкм/мин.

В последнее время начинает широко применяться обработка свя­

алмаза обеспечивает жесткость инструмента, не изменяющего форму при обработке. Сочетание твердости с высокой хрупкостью приводит к тому, что алмазные зерна не тупятся, а скалываются, обеспечивая самозатачивание инструмента. Радиусы закруглений алмазных зерен много меньше, чем у других абразивов того же размера, а углы при вершинах зерен больше; это качество способствует получению более чистой поверхности. Высокая теплопроводность алмаза исключает местные перегревы и температурные деформации кремния; впрочем, температура обработки ограничивается не кремнием, а алмазом из-за низкой термостойкости последнего.

Перечисленные качества алмазных абразивов позволяют рабо­ тать при меньших давлениях и, следовательно, оставлять менее глу­ бокий нарушенный слой. Применение для шлифовки связанного абразива вместо свободного повышает производительность обработ­ ки, снижает толщину нарушенного слоя, улучшает качество поверх­ ности и уменьшает расход дефицитных абразивов. Достоинством шлифовки связанным абразивом являтся рост культуры производ­ ства, поскольку устраняется абразивная пыль — основной источник загрязнения оборудования и рабочих мест.

Шлифовальные круги представляют собой [Л. 2-15] дюралюми­ ниевую основу с алмазеодержащим слоем толщиной 5 мм и обес-

36

Резка слитка Создание пластины-заготовки

Шлифовка

Формирование толщины, удаление нарушенного слон

Формирование поверхности, удаление нарушенного слоя

37

За счет большой точности работы алмазных шлифовальииков и меньших нарушений обрабатываемого материала на 10—'15% сни­ жаются потери кремния, что при его высокой стоимости дает боль­ шой экономический эффект. Колебания по толщине пластины не пре­

сразмером зерен 3 мкм.

По л и р о в к а кремния производится обычно алмазными микропорошками и пастами. Можно рекомендовать следующую последова­ тельность операций:

1.Предварительная полировка алмазными микропорошками ма­ рок АМ-3 и АСМ-3 с размером зерен 3 мкм на батисте до 13-го класса чистоты. Толщина удаляемого слоя составляет 25 мкм, ско­

2. Окончательная полировка алмазными микропорошкам АМ-1 (АСМ-1) или.пастами АП-1 (АСП-1) с размером зерна 1 мкм на искусственной замше до 14-го класса чистоты. Удаляемый слой 5 мкм, толщина нарушенного слоя менее 1 мкм, скорость удаления 0,8—1,0 мкм/мин.

Для обеспечения высокой плоскопараллельности (± 1 мкм) при­ меняется посадка пластин, отполированных до 14-го класса чистоты, на оптический контакт, т. е. крепление пластин к стеклу за счет сил молекулярного притяжения. Оптический контакт позволяет избавить­

38

печения требуемой толщины пластины. При полировке производи­

щения (100—200 об/мин) и типа полировальника. На рис. 2-6 пока­ зано, как меняется скорость удаления кремния от содержания фто­ рида аммония и ионов меди. Концентрация фторида аммония, при которой скорость максимальна, составляет 9%. Скорость удаления кремния, естественно, связана с температурой: при росте ее на 20 °С скорость увеличивается на 50%. Содержание двухвалентного иона

остается возможность загрязнения медью поверхности, а после

с технологией механической обработки. Одним из важнейших усло­ вий обеспечения высокого качества поверхности является поддер­ жание чистоты на всех стадиях обработки. Достаточно ничтожных загрязнений более крупным абразивом, чтобы прекрасно обработан­ ные пластины покрылись грубыми царапинами. Обработка должна производиться п специальных помещениях с разделением операций полировки и шлифовки; для полировки требуются помещения 2-го класса чистоты. Персонал, работающий на шлифовке, не должен находиться в полировальных помещениях, так как абразивная пыль легко переносится под ногтями, па волосах, одежде, обуви. Все узлы Оборудования должны легко разбираться для очистки. Тщательная

• 3 9