9. Механическая полировка пластин

Полировка полупроводниковых пластин - процесс, основная цель которого обеспечить высокую чистоту обрабатываемой поверхности и оставить минимальный нарушенный слой. Так же как шлифовка, полировка может быть предварительной и окончательной (тонкой). Предварительную полировку производят алмазными суспензиями и пастами зернистостью от 3 до 1 мкм (АСМ-3, АСМ-1). Алмазную суспензию приготавливают из синтетических алмазных порошков, часового или приборного масла. Окончательную полировку выполняют субмикронными алмазными порошками и пастами или мягкими полирующими составами на основе оксидов алюминия, хрома, циркония, кремния с величиной зерна менее 0,4 мкм. Полированные поверхности пластин имеют 13 - 14-е классы шероховатости.

Полировку производят на мягких доводочных дисках - полировальниках. По характеру воздействия на обрабатываемую поверхность различают механическую, химическую и химико-механическую полировки.

К полировальникам предъявляют высокие требования: они не должны иметь порезов, складок, утолщенных ниток, что может привести к появлению рисок на обрабатываемой поверхности или разрыву полировального материала и порче всей партии пластин. Радиальное биение установленного на станке полировальника, контролируемое специальным индикатором, не должно превышать 0,8 мкм.

Алмазные полирующие составы, применяемые в виде паст и суспензий, наносят на подготовленный полировальник в дозированных количествах.

Для предварительной полировки кремния алмазными суспензиями оптимальным режимом является режим, при котором удельное давление составляет (5 ... 6)  10³ Н/м², а частота вращения полировальника 30 ... 40 мин^-1. При этом скорость съема кремния для порошков АСМ-1 и АСМ-2 достигает 4 ... 7 мкм/ч, а для субмикропорошков от 0,1 до 0,35 мкм/ч. При использовании паст частоту вращения полировальника можно увеличить до 70...100 мин^-1, если улучшить условия теплоотвода путем непрерывной подачи на полировальник охлаждающей жидкости из капельницы. Время полировки зависит от величины припуска и скорости съема материала и обычно составляет от 15 до 30 мин.

Арсенид галлия полируют при удельном давлении (3...3,5)Ч10³ Н/м² и частоте вращения полировальника 30...35 мин^-1. При этом для порошков с размером зерна 1 мкм скорость съема составляет около 10 мкм/ч.

Химическая полировка осуществляется специальными растворами (травителями), которые достаточно хорошо растворяют материал пластин и загрязнения как физической, так и химической природы. Например, для кремния широко используется жидкий травитель состава HF : HNO₃: CH₃COOH в соотношении 1:3: 2,5. Возможны и другие соотношения компонентов травителя. Химическое травление жидкими растворителями с последующей отмывкой и сушкой рассматривается в технологии ИМС как заключительная стадия обработки, в результате которой стравливается 10...20 мкм материала с каждой стороны пластины.

Химико-механическая полировка производится с помощью химических реакций и абразивов. Методы ее можно разделить на две группы: полировка диоксидом циркония (ZrO₂) или кремния (SiO₂) и ионообменная. При полировке диоксидом циркония или кремния в результате химического взаимодействия с кремнием растворов КОН, NaOH или этилендиамина, входящих в состав суспензии, происходит окисление кремния и растворение оксидов в щелочной среде. При этом абразивные зерна ZrO₂ или SiO₂ удаляют разрыхленный поверхностный слой, имеющий значительно меньшую твердость, чем исходный материал. Этим объясниется более высокая производительность химико-механической полировки по сравнению с механической. Химико-механическая полировка позволяет получать пластины, свободные от «алмазного фона», с шероховатостью по 14-му классу и нарушенным слоем, не превышающим 2 ... 3 мкм.

Полировку диоксидом циркония выполняют на замшевом полировальнике с частотой вращения от 80 до 120 мин^-1 при удельном давлении (6... 8) 10³ Н/м² и расходе суспензии 10...20 мл/мин. Скорость съема кремния составляет 1 ... 3 мкм/ч.

При полировке диоксидом кремния частота вращения замшевого полировальника составляет 100 мин^-1, удельное давление 1510³ Н/м², расход суспензии 10 ... 25 мл/мин, а скорость съема кремния от 3 до 10 мкм/ч.

При ионообменной полировке используются суспензии, содержащие азотно- или сернокислую медь, азотную кислоту и фтористый аммоний. Сущность ионообменной полировки заключается в реакции замещения, при которой ионы меди восстанавливаются в металлическую медь, а кремний окисляется до Si⁴⁺. Медь осаждается на поверхности пластин, а затем стирается полиро­вальным полотном. Одновременно окисленный кремний, взаимодействуя с ионами фтора, растворяется, образуя фторосиликат.

Процесс идет непрерывно. В кислой среде (рН<5) протекают следующие реакции:

2Cu²⁺+Si⁰Si⁴⁺+2Cu⁰

Si⁴⁺+6F^-SiF₆^2-

SiF₆^2-+2(NH₄)⁺  (NH₄)₂SiF₆.

Ионообменную полировку производят на станках, детали рабочей зоны которых изготовлены из коррозионно-стойких мате­риалов. Частота вращения полировальника, выполненного из искусственной кожи или замши, составляет 200 мин^-1 при удельном давлении на пластины (8... 10)10³ Н/м². Скорость полировки суспензией с азотно-кислой медью 100 ... 120 мкм/ч, а серно-кислой 60 ... 70 мкм/ч.

После полировки пластины промывают и сушат.

Несмотря на высокую производительность ионообменной полировки и возможность получения бездефектной поверхности за счет отсутствия абразива, этот метод обработки не получил широкого распространения из-за сложности управления процессом и необходимости тщательного удаления остатков меди с обработанной поверхности.