1.4. Реальна поверхня

1.4.1. Загальна характеристика реальної поверхні

Реальною є поверхня, яка перебуває в умовах атмосфери або у вакуумі не вищому ніж 10^-6 Торр. Реальні поверхні напівпровідників одержують при стандартній обробці, яка застосовується при виготовленні напівпровідникових приладів. Реальна поверхня характеризується великою кількістю дефектів структури, наявністю шару окису та адсорбованих частинок (атомів, молекул). Тому реальна поверхня напівпровідників сильно відрізняється від розглянутих теоретичних моделей ідеальної поверхні і навіть від атомарно чистої поверхні.

При одержанні реальної поверхні напівпровідників застосовують механічну, хімічну і термічну обробки, а також йонне бомбардування. При механічному розрізуванні на поверхні кристала виникають певного типу пошкодження структури кристала з утворенням тріщин і подряпин.

Товщина пошкодженого шару дорівнює 50 – 100 мкм. Для видалення цього шару застосувують хімічне або термічне протравлювання поверхні, йонне бомбардування, а також електричний газовий розряд. До хімічного способу обробки поверхні належить й електролітичне протравлювання, яке полягає в розчиненні матеріалу напівпровідника в електроліті під дією електричного струму, що протікає через електроліт, коли напівпровідниковий зразок є анодом. Електролітами служать водні розчини лугів (KOH, NaOH) або кислот.

1.4.2. Механічна обробка

Поверхнева обробка напівпровідників, які застосовують у виробництві приладів або для наукових досліджень, розпочинається з вирізування чи виколювання тонких пластинок (брусочків) з великих монокристалів.

Розрізування. Розрізування монокристалів германію і кремнію в заводських та лабораторних умовах виконується переважно розпилюванням зливків на пластини металевими дисками з внутрішньою алмазною пилою. Цей метод фактично витіснив усі інші методи розрізування зливків, які використовувалися раніше: диски із зовнішньою алмазною пилою, металеві стрічки і дротини зі застосуванням абразивної суспензії. Застосування цього методу значно знижує витрати матеріалу при розпилюванні і забезпечує високу якість поверхні зрізу.

Диски з внутрішньою алмазною пилою виготовляються у вигляді металевого кільця товщиною 0,1 – 0,15 мм, на внутрішньому краєві якого нанесені алмазні зерна розміром 40 –60 мкм. Інструмент закріплюється на головці шпінделя, який обертається зі швидкістю (5 – 5,5)^.10³ об/хв. Використовують верстати як з горизонтальним розташуванням шпінделя (“Алмаз-4”, “Алмаз-6М”), так і з вертикальним (АСМІОА фірми “Окамото”, Японія).

У деяких випадках застосовують ультразвукове різання твердих матеріалів (Si, SiC, Ge та ін.), а також метод місцевого електролітичного травлення та електроіскровий або електро-ерозійний спосіб різання.

Шліфування. Поверхню зрізу кристала (або пластини) після розрізування шліфують абразивними матеріалами. Метою шліфування є зменшення глибини пошкодженого шару, а також забезпечення необхідних геометричних розмірів відрізаних пластин (брусків) та плоскопаралельності їх поверхонь (граней). Для шліфування використовують переважно штучні абразиви у вигляді порошку, суспензії, пасти або шліфувальних дисків.

Використовують абразивні мікропорошки із зернистістю від 28 до 3 мкм і диски із зернистістю від 1200 до 5 мкм. Згідно з державним стандартом розмірною характеристикою зерна є його ширина (іноді довжина). Середній розмір зерен абразиву оцінюється у мікрометрах. Відповідно до розмірів частинок абразиву шліфувальні матеріали мають певні номери (табл. 1.1).

Таблиця 1.1

Класифікація шліфувальних порошків

Номер зерна	Розмір зерна, мкм	Номер зерна	Розмір зерна, мкм
100	150 – 125	M28	28 – 20
120	125 – 105	M20	20 – 14
150	105 – 85	M14	14 – 10
180	85 – 75	M10	10 – 7
220	75 – 63	M7	7 – 5
240	63 – 53	M5	5 – 3,5
280	53 – 42	-	-
320	42 – 38	-	-

На заводах напівпровідникового виробництва використовують ряд високоточних шліфувальних верстатів, які забезпечують високу якість оброблення поверхні пластин.

Для зручності шліфування нарізані пластинки наклеюють на металевий диск-утримувач. Для цього використовують різні речовини (віск, салол, смолу), які характеризуються невисокими температурами топлення і легко розчиняються в органічних розчинниках (спирт, ацетон). Шліфування проводять на шліфувальних кругах зі скла або металу з використанням порошків від номера 320 до М28 (розміри зерен – 42–20 мкм). Після шліфування проводять процес полірування.

Полірування. Полірувати поверхню можна механічним, електроіскровим, електролітичним та хімічним способами. Найбільшого поширення набули механічний і хіміко-механічний способи. Механічне полірування виконують на полірувальних дисках з використанням дрібнозернистого полірувального паперу з номером зерна М20 – М5. Механічне полірування відбувається, головним чином, за рахунок мікрозрізування зернами абразиву, пластичних деформацій і згладжування.

При хіміко-механічному поліруванні відбувається механічне видалення з поверхні м’яких плівок, які утворюються внаслідок хімічних реакцій. Хімічне полірування провадиться шляхом зтравлювання поверхні пластин спеціальними травниками (див. п. 1.4.3).