Методы контроля чистоты поверхности пластин

Таблица 1.1

Очистка поверхности пластин после механической обработки

План

Основы технологии электронной компонентной базы

Модуль 1

Лекция 1. Организационно-технологические основы производства изделий микро- и наноэлектроники

1. История становления микроэлектроники.

2. Кремний - основной материал для полупроводниковых интегральных микросхем

3. Механическая обработка кремниевых пластин

5 Методы контроля чистоты поверхности пластин

1.1 Материалы микроэлектроники

В производстве полупроводниковых приборов и интегральных схем используются германий, кремний и арсенид галлия.

Германий (Ge) и кремний (Si) относятся к простым или элементарным полупроводникам IV группы таблицы Менделеева, арсенид галлия (GaAs) - к интерметаллическим соединениям, обозначаемым символом A^IIIB^V.

Основные физические и механические свойства этих материалов приведены в табл.1.1.

Физические и механические свойства германия, кремния и
арсенида галлия

Свойства	Ge	Si	GaAs
Атомный (молекулярный) вес Плотность, г/см3 Модуль Юнга, ´109 Н/м2 Коэффициент Пуассона Температура плавления, °С Теплопроводность, кал/град м×с Удельная теплоемкость, кал/г×град Критерий хрупкости Коэффициент термического расширения a, ´10–8 град–1 Ширина запрещенной зоны, эВ Тип кристаллической структуры Подвижность электронов, см2/В×с Подвижность дырок, см2/В×с Концентрация собственных носителей при 300 К, см–2 Диэлектрическая постоянная	72,59 5,327 13,7 0,256 0,14 0,074 4,4 5,75 0,76 Алмаз 2×1013	28,09 2,33 16,9 0,262 0,2 0,210 2,0 2,23 1,11 Алмаз 1,5×1010 11,8	144,6 5,316 1,13 0,336 0,125 0,086 3,0 5,74 1,36 Цинковая обманка 1,4×106 11,1

В производстве приборов и схем используют полупроводниковые материалы, легированные различными примесями, что дает возможность существенно изменять свойства этих материалов. Однако основным материалом для изготовления интегральных микросхем (ИМС) и микросистем до настоящего времени остается кремний. Он обладает рядом свойств, позволяющих легко создавать на нем диэлектрические слои для маскирования от проникновения примесей и защиты поверхности от влияния внешней среды, обеспечивающих высокие рабочие температуры (до 150 °С). Поэтому именно технология кремниевых интегральных элементов будет рассматриваться в настоящем пособии.

Кремний имеет алмазоподобную кристаллическую решетку, которая может быть представлена как две гранецентрированные кубические решетки, сдвинутые относительно друг друга на 1/4 большой диагонали куба. Параметр решетки куба a равен 0,54 нм (длина ребра куба), а расстояние между двумя ближайшими соседними атомами составляет 0,23 нм. Каждый атом связан с четырьмя ближайшими соседями ковалентными связями, расположенными по отношению к этому атому в вершинах правильного тетраэдра (рис.1.1).

Рис.1.1. Схематическое представление кристаллической
решетки кремния

В кубической решетке кремния удобно выделить наиболее характерные плоскости и направления, называемые индексами Миллера (рис.1.2). Если в начало координат поместить куб с ребрами, отсекающими единичные отрезки по осям координат, то плоскости, образую-щие грани куба, будут иметь координату по одной из осей, например х, равную 1, а другим плоскостям будут параллельны. Обратные величины отрезков, отсекаемых плоскостями по осям координат, для этой кристаллографической плоскости будут 1,0,0 (рис.1.2,а). Это и есть индексы Мил-лера для граней куба. Соответственно для диагональной плоскости куба (рис.1.2,б) эти индексы будут 1,1,0, а для плоскостей, отсекающих единичные отрезки по всем трем координатам (рис.1.2,в) - 1,1,1. Для обозначения единичной плоскости ее индексы помещают в круглые скобки: (100), (110), (111). Если же речь идет о системе кристаллографически эквивалентных плоскостей, то
используются фигурные скобки: {100}, {110}, {111}. Направления, перпендикулярные этим плоскостям, имеют те же индексы, но заключаются в квадратные скобки: [100], [110], [111], а семейство направлений с одинаковыми индексами - в треугольные скобки: <100>, <110>, <111>. Три указанных плоскости и направления являются наиболее важными в кристалле кремния и в основном используются в производстве кремниевых интегральных микросхем. Многие технологические процессы протекают различно при разных кристаллографических ориентациях поверхности кремниевой пластины. Для биполярных ИМС обычно используется ориентация поверхности параллельно (111), для МДП схем предпочтительной является ориентация поверхности по плоскости (100).

Рис.1.2. Схематическое представление плоскостей с различными индексами Миллера в кубической решетке

1.2. Механическая обработка кремниевых
пластин

Кремниевые слитки диаметром 100, 150, 200 мм режутся на пластины с помощью специальных дисков с алмазной абразивной кромкой. Перед резкой проводится ориентация слитков рентгеновским методом, чтобы поверхность пластин была параллельна нужной кристаллографической плоскости: (100) или (111).

После резки пластины подвергаются шлифовке и полировке. В результате шлифовки удаляется нарушенный при резке слитка слой на поверхности кристалла. Одновременно решаются задачи: получения плоскопараллельности сторон пластины; доведения толщины пластины до нужной величины; получения требуемой чистоты обработки поверхности пластины. Причем шлифовка в зависимости от требований производства может быть как двусторонней, так и односторонней. В процессе шлифовки, таким образом, формируются геометрические размеры пластины. Для уменьшения шероховатости поверхности и глубины нарушенного в кристалле слоя после шлифовки проводится полировка пластин. Она необходима только для обработки рабочей стороны пластины, т.е. стороны, на которой непосредственно создаются структуры элементов. Полировка осуществляется с использованием алмазной пасты и мелкодисперсных абразивов из окислов редкоземельных элементов с величиной зерна 0,1 - 0,3 мкм.

После любой из этих операций на поверхности полупроводника остается нарушенный слой, который существенным образом влияет как на дальнейшую технологическую обработку (травление, окисление), так и в конечном счете на параметры полупроводниковых приборов, особенно с мелкими (меньше 1 мкм) активными слоями. Поэтому контроль структуры нарушенного слоя и способы его удаления представляют важную задачу современной планарной технологии.

Структуру нарушенного слоя полупроводниковой пластины пос-ле резки и шлифовки условно мож-но представить в виде четырех пос-ледовательных областей (рис.1.3): верхняя область - микрорельеф, под ней расположена область микротре-щин, далее область, содержащая петли и скопления дислокаций, затем следует слой кремния, где число дислокаций повышено по сравнению с остальным объемом полупроводника.

Рис.1.3. Структура нарушенного при механической обработке поверхностного слоя: 1 - рельефный слой; 2 - микротрещины; 3 - область скопления

дислокаций; 4 - монокристалл

В структурном отношении области микрорельефа и микротрещин представляют собой аморфные или мелкокристаллические состояния кремния. Области скопления и повышенной плотности дислокаций имеют монокристаллическую структуру. В нарушенном слое, кроме структурных, возможно образование и концентрационных неоднородностей, которые связаны с сегрегацией примесей на дислокациях, что может изменять электрофизические свойства материала, влияя на электрические параметры элементов микросхем.

1.3 Очистка поверхности пластин после механической
обработки

Очистка поверхности начинается с обработки пластин в органических растворителях. Как правило, нельзя ограничиться каким-либо одним из них, следует использовать последовательно несколько растворителей. При их выборе важно учитывать, что:

1) растворитель не должен реагировать с материалом подложки;

2) каждый последующий растворитель должен растворять предыдущий;

3) все растворители должны быть высокой степени чистоты.

Для очистки поверхности используются следующие растворители: трихлорэтилен (CHCl=CCl₂), толуол (CH₃C₆H₅), ацетон (CH₃COCH₃), четыреххлористый углерод (CCl₄), этиловый спирт (C₂H₅OH) и др.

Наиболее эффективны кипячение в реактиве и очистка в потоке реактива.

Скорость растворения органических загрязнений увеличивается более чем на порядок величины, если растворитель нагревается от комнатной температуры до 70 °С. Нагрев до более высоких температур может приводить к деструкции, разрушению растворителя, которое сопровождается выделением продуктов разложения, часто являющихся отравляющими веществами (например, фосген выделяется при деструкции трихлорэтилена).

Применение щеток и кистей увеличивает степень очистки поверхности от загрязнений, однако при этом возможны механические повреждения поверхности в виде царапин и сколов.

Эффективна очистка с помощью ультразвука. В этом случае пластины помещаются в ванну с растворителем, укрепленную на сердечнике магнитостриктора. При воздействии ультразвука в растворе образуются кавитационные пузырьки растворителя, которые с силой ударяют о поверхность пластин, удаляя загрязнения. Однако при ультразвуковой очистке пластины часто крошатся, особенно по краям.

Важнейшим требованием к растворителям является высокая степень их чистоты. Наличие в них малейших следов растворенных жиров и других примесей приводит к загрязнению поверхности пластин и снижению качества очистки.

В процессе резки и шлифовки пластины полупроводниковых материалов загрязняются различными органическими веществами, в том числе жирами, клеящими мастиками. В результате таких загрязнений скорости травления чистых и загрязненных участков сильно различаются.

Загрязнения на поверхности полупроводника даже в весьма малых количествах (10^–8 - 10^–9 г/см²) резко ухудшают качество приборов и изменяют протекание технологических процессов формирования полупроводниковых структур.

Поверхностные загрязнения можно классифицировать на следующие основные виды.

1. Физические или механические загрязнения (пыль, волокна, абразивные и другие частицы, не связанные химически с поверхностью). Наличие таких загрязнений приводит к неравномерности травления и дефектам в слоях диэлектрика или полупроводника, наносимых на поверхность полупроводникового материала.

2. Молекулярные загрязнения - это природные или синтетические воски, смолы и растительные масла (нефть). Они вносятся после механической резки, шлифовки и полировки пластин. Молекулярные загрязнения включают также отпечатки пальцев и жировые пленки, которые осаждаются под воздействием атмосферы или при длительном хранении пластин в таре. Эти пленки удерживаются на поверхности пластин слабыми электростатическими силами.

3. Ионные загрязнения появляются после травления в щелочных или кислотных растворах, особенно содержащих HF, после отмывки в дистиллированной воде. Ионные загрязнения удерживаются на поверхности в результате физической или химической адсорбции. Особенно нежелательно присутствие щелочных ионов, вызывающих нестабильность характеристик приборов при попадании их в слои окисла кремния.

4. Атомные загрязнения - это главным образом тяжелые металлы Au, Ag, Cu, осаждающиеся на поверхности кремния при кислотном травлении. Они могут влиять на время жизни носителей заряда, поверхностную проводимость.

Для успешной очистки поверхности пластин необходимы соответствующие методы контроля загрязнений. Наиболее точные методы контроля, как правило, требуют сложной уникальной аппаратуры и длительных экспериментов, что невозможно выполнить непосредственно в процессе проведения технологических операций.

Тем не менее в полупроводниковом производстве необходим постоянный контроль чистоты как технологических сред (воды, газов, кислот, растворителей), так и поверхности пластин. Причем контроль должен быть достаточно простым, удобным и неразрушающим.

Разработан ряд методов прямого и косвенного контроля чистоты поверхности. Методы прямого контроля определяют загрязнения непосредственно на контролируемой поверхности, методы косвенного контроля основаны на экстрагировании загрязнений растворителем с последующим их анализом каким-либо другим методом.

К прямым методам контроля относятся:

1) наблюдение поверхности пластины в темном (или светлом) поле микроскопа; загрязнения видны в виде светящихся точек (используют металлографический или интерференционный микроскопы);

2) наблюдение поверхности в косом свете - отражения от зеркальной поверхности пластины и в загрязненных местах различаются;

3) люминесцентный метод, использующий свойство ряда веществ, находящихся на поверхности, светиться под влиянием ультрафиолетовых лучей (может применяться для обнаружения органических пленок, олеиновой кислоты, вакуумных масел и других загрязнений), чувствительность его сравнительно мала и равна 1×10^–5 г/см²;

4) метод, основанный на смачиваемости поверхности, чувствительность которого определяется природой гидрофобных загрязнений, материалом подложки и шероховатостью поверхности, может успешно применяться только для оценки гидрофильной поверхности. Чувствительность метода 10^–6 ¸ 2×10^–7 г/см². Такой метод осуществляется либо погружением в чистую воду (гидрофобные включения не смачиваются), либо наблюдением рисунка изморози, по которому судят о наличии загрязнений на поверхности.

Наиболее точным косвенным методом контроля загрязнений является радиохимический метод, который заключается в том, что определяется количество адсорбированных радиоактивных изотопов по их активности, для чего снимаются спектры излучения образца и сравниваются со спектрами отдельных эталонных препаратов. Метод характеризуется наибольшей чувствительностью (5×10^–9 ¸ 1×10^–10 г/см²), он очень эффективен для определения неорганических веществ и ионов металлов.