1.4.1 Получение кремния полупроводниковой чистоты

По распространённости в земной коре кремний среди всех элементов занимает второе место (после кислорода). Масса земной коры на 27,6--29,5 % состоит из кремния. Кремний входит в состав нескольких сотен различных природных силикатов и алюмосиликатов. Больше всего распространен кремнезём или оксид кремния (IV) SiO₂ (речной песок, кварц, кремень и др.), составляющий около 12 % земной коры (по массе). В свободном виде кремний в природе не встречается, хотя одна четвертая земли состоит из кремния, поэтому из карьеров добывают диоксид кремния, затем используют плавят сырьё, содержащее оксид кремния в электропечах при температуре 2273К

SiO2+C = Si+2CO

В результате получают элементарный кремний, однако его чистота еще очень низка и содержание основного вещества составляет около 99%. Кремний из-за высокой температуры плавления и реакционной способности по отношению к любым контейнерным материалам очистке не поддается, поэтому его переводят в соединения, удобные для глубокой очистки SiCl4, SiHCl3 или SiH4

Для получения хлорида кремния и хлорсилана используются реакции хлорирования:

Si+2Cl₂SiCl₄

Si+3HClSiHCl₃+H₂

Моносилан получают из предварительно изготовленного кремний-магниевого сплава:

Mg₂Si+4NH₄ClSiH₄+2MgCl₂+4NH3

Для дальнейшей глубокой очистки хлорида, хлорсилана и моносилана применяется один и тот же метод ректификации в жидком виде независимо от того, что первые два вещества в нормальных условиях -- жидкости, третье -- газ.

Ректификация (от лат. rectus -- правильный и facio -- делаю) -- разделение однородных жидких смесей на составляющие вещества, основанное на неоднократном испарении жидкостей и конденсации паров. Ректификацию осуществляют в специальных ректификационных колоннах. Это высокоэффективный и экономичный процесс.

Получение особо чистого кремния осуществляется по следующим реакциям:

Восстановление(1373 K):

SiCl₄ + 2Н₂ Si + 4НCl

SiHCl₃ + Н₂ Si + 3НCl

Пиролиз(1273 K):

SiH₄ Si + 2Н₂

Восстановление осуществляется на нагретые кремниевые стержни-заготовки, непосредственно через которые пропускается электрический ток. Благодаря этому реакция локализуется на поверхности кремния и происходит постепенное наращивание их диаметра от исходных 8... 10 до 50... 100 мм. Для восстановления и разбавления газовых смесей, как в хлоридном, так и моносилановом процессах используются большие количества водорода.

1.4.2 Формирование слитков

Применяется 2 основных метода выращивания монокристаллов: метод Чохральского и метод бестигельной зонной плавки.

Около 75% всего производства ведется по методу Чохральского, который обеспечивает наивысшую однородность и структурное совершенство монокристаллов. В методе Чохральского кремний и все необходимые примеси сплавляются вместе в тигле при температуре около температуры плавления кремния, 1414 °C.

Стержень с закрепленным на нем монокристаллом кремния помещается на поверхность расплава и, вращаясь, вытягивается вверх. Это приводит к образованию длинного кремниевого цилиндра, называемого слитком. Из-за поверхностного натяжения в жидкости на поверхности зародыша сначала образуется тонкая кремниевая пленка. Последующие атомы кремния ориентируются в соответствии с зародышем кристалла; таким образом, в результате слиток имеет ту же кристаллическую структуру, что и исходный зародыш. Диаметр полученного слитка можно контролировать при изменении температуры и соотношения скоростей вытягивания/вращения. Слиток, полученный методом зонной плавки, по чистоте обычно превосходит аналогичный, полученный методом Чохральского, делая метод зонной плавки наиболее используемым в современном производстве полупроводников, поэтому воспользуемся методом бестигельной зонной плавки.

Он основан на плавлении небольшой зоны поликремниевой цилиндрической заготовки, находящейся в вертикальном состоянии. Необходимая узкая зона расплава создается с помощью высокочастотного индуктора (стандартная частота генератора 5,28 МГц). Тепло за счет вихревых токов в самом кремнии, и при достаточной мощности выделяется непосредственно ВЧ-генератора, это приводит к быстрому расплавлению конца заготовки и образованию капли. Благодаря небольшой плотности кремния и высокому поверхностному натяжению капля способна удерживаться на слитке; к ней снизу подводится затравка и вытягивается шейка, а затем и цилиндрическая часть. Содержание примесей в кремнии в результате бестигельной зонной плавки уменьшается за счет перегрева расплава и частичного испарения. Применение бестигельной зонной плавки наиболее целесообразно для моносиланового кремния, свободного от кислорода и углерода. В результате могут быть получены монокристаллы с предельно высоким, близким к собственному удельным сопротивлением, т. е. за счет бестигельной зонной очистки.

Рисунок 1 -- Схема бестигельной зонной плавки

1.4.3 Технология разделения слитков на заготовки

Калибровка монокристаллов полупроводниковых материалов. Обеспечивает придание им строго цилиндрической формы и заданного диаметра. Калибровку монокристаллов полупроводников проводят чаще всего методом круглого шлифования на универсальных круглошлифовальных станках, снабженных алмазным шлифовальным кругом с зернистостью, обозначенной 50/40 (основная фракция 40 мкм, а количество крупной, размером 50 мкм, не более 15%). Перед операцией калибровки к торцам монокристалла наклеечной мастикой приклеивают металлические конуса («центры») таким образом, чтобы их ось совпадала с продольной осью монокристалла.

После калибровки на поверхности монокристалла образуется нарушенный слой глубиной 50...250 мкм в зависимости от скорости продольной подачи. Присутствие его на периферии подложек может вызывать появление сколов, а при последующей высокотемпературной обработке приводить к генерации структурных дефектов, распространяющихся в центральные области подложки. Для снятия нарушенного слоя прошедшие операции калибровки монокристаллы полупроводников подвергают операции химического травления.

В процессе роста монокристаллов наблюдается несоответствие оси слитка кристаллографической оси. Для получения пластин, ориентированных в заданной плоскости, до резки производят ориентацию слитков. Способы ориентации кристаллов определяются их природой, типом детали и ее функциональным назначением. Оптически изотропные диэлектрики ориентируют для учета влияния технологических свойств кристалла на точность параметров детали. У анизотропных диэлектриков положение преломляющих и отражающих поверхностей детали зависит от требуемого преобразования светового потока. Ориентация полупроводников предусматривает определения кристаллографической плоскости, в которой материал имеет заданные электрические свойства. Ориентацию полупроводников проводят рентгеновскими или оптическими методами.

Рентгеновский метод основан на отражении рентгеновских лучей от поверхности полупроводникового материала. Интенсивность отражения зависит от плотности упаковки атомами данной плоскости. Кристаллографической плоскости, более плотно упакованной атомами, соответствует большая интенсивность отражения лучей. Кристаллографические плоскости полупроводниковых материалов характеризуются определенными углами отражения падающих на них рентгеновских лучей. Величины этих углов для кремния: (111) -17°56', (110) - 30° 12', (100) - 44°23'

Рентгеновский диафрактометрицеский метод основан на измерении угла отражения характеристического рентгеновского излучения от идентифицируемой плоскости. Для этого применяют рентгеновские дифрактометры общего назначения, например типа ДРОН-1,5, или рентгеновские установки, например типа УРС-50И (М), и другие, снабженные рентгеновскими гониометрами и устройствами, обеспечивающими вращение горизонтально располагаемого монокристалла вокруг оси с заданной скоростью.

При проведении измерения падающий на торцевой срез монокристалла рентгеновский луч направляют под брэгговским углом отражения р. Счетчик рентгеновских квантов (Гейгера) располагают под углом 2р к падающему лучу. Если ориентируемая плоскость, например (111), составляет некоторый угол, а с торцевым срезом монокристалла, то отражение от нее можно получить, повернув монокристалл на этот же угол.

Определение угла отражения проводят относительно двух взаимно перпендикулярных осей, одна из которых лежит в плоскости чертежа

Рисунок 3 -- Схема ориентации монокристаллов полупроводников рентгеновским методом:1--падающий рентгеновский луч; 2-- монокристалл; 3 -- отраженный рентгеновский луч: 4 -- счетчик Гейгера

Оптический метод основан на том, что на протравленной в селективном травителе поверхности полупроводника возникают фигуры травления, конфигурация которых определяется ее кристаллографической ориентацией. На поверхности (111) фигуры травления имеют форму трехгранных пирамид, а на (100)--четырехгранных. При оснащении такой поверхности параллельным пучком света отражающиеся лучи будут образовывать на экране световые фигуры.

В зависимости от того, насколько сильно отклонена плоскость торцевого среза монокристалла от плоскости (hkl), световая фигура, образованная отраженным пучком света, будет находиться ближе или дальше от центра экрана. По величине отклонения световой фигуры от нулевого деления экрана определяют угол отклонения, а плоскости торца монокристалла от плоскости (hkl). Затем, поворачивая монокристалл на 90°, определяют другой угол Р; после выполнения ориентации монокристалла на его торце твердосплавным резцом наносят стрелку, направление которой указывает, в какую сторону от торца монокристалла отклонена требуемая плоскость. Точность ориентации монокристаллов полупроводников рентгеновским методом ± (2...6)', а оптическим ±(15...30)'.

Кремний -- твердый и хрупкий материал. Эти свойства кремния определяют способы его механической обработки и выбор абразивных материалов. Необходимо учитывать, что слитки кремния имеют большой диаметр (более 80 мм с тенденцией роста до 100...110 мм).

Алмаз -- самый твердый материал. При обработке кремния используются как природные, так и синтетические алмазы, уступающие первым по механическим свойствам. Иногда применяют карбиды бора В₄С и кремния SiC, а также электрокорунд Al₂O₃. В настоящее время при резке слитков кремния на пластины в качестве режущего инструмента применяют металлические диски с внутренней алмазной режущей кромкой.

Инструмент представляет собой металлический диск с центральным отверстием, на кромку которого нанесена алмазная крошка. Толщина диска 0,1-0,15 мм, а диаметр отверстия обусловлен диаметром разрезаемого слитка. Схема установки для резки слитков представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 -- Металлический диск с внутренней алмазной режущей кромкой: 1 -- металлический диск; 2 -- алмазная крошка

Режущий инструмент (диск) растягивается и закрепляется в специальном барабане на головке шпинделя станка для резания. Слиток разрезается диском с алмазной кромкой при вращении шпинделя (3000 - 5000 об/мин.). Скорость движения слитка при его перемещении перпендикулярно оси режущего диска составляет 40 - 50 мм/мин. (для слитков диаметром 60 мм не более 20 - 30 мм/мин.). После отрезания очередной пластины с помощью автоматической системы происходит возврат слитка в исходное положение, а также, перемещение его на заданный шаг. Устройство для закрепления слитка позволяет поворачивать слиток в горизонтальной и вертикальной плоскостях на требуемые углы по отношению к плоскости вращения алмазного диска и тем самым обеспечивает ориентированную резку. Станок снабжен системой подачи воды для охлаждения режущего диска и вымывания отходов резки (частичек выкрошенного кремния).

Рисунок 5 -- Схема установки для резки алмазным диском: а -- внутренний способ резки; б -- гребенчатый способ резки (1 -- барабан; 2 -- диск; 3 -- алмазное покрытие; 4 -- оправка; 5 -- пластина; 6 -- слиток)

Поверхность пластин, полученных после резки, не удовлетворяет требованиям, которые предъявляют к качеству поверхности кремния при планарной технологии. С помощью электронографа устанавливают наличие приповерхностных слоев, не имеющих монокристаллической структуры. Толщина нарушенного слоя после резки диском 10 - 30 мкм в зависимости от скорости вращения диска. Поскольку в ИС глубина, на которой располагаются p-n - переходы, составляет единицы и десятые доли микрона, наличие нарушенных слоев толщиной 10 - 30 мкм неприемлемо. Микронеровности на поверхности не должны превышать 0,02 - 0,1 мкм. Кроме того, проведение фотолитографии плоскопараллельности пластин следует поддерживать на уровне 1 мкм по диаметру пластины вместо 10 мкм после резки.

кремний микросхема подложка

1.4.4 Обработка поверхности заготовок с целью получения пластин

Для обеспечения требуемого качества поверхности пластин должны быть подвергнуты дальнейшей обработке. Эта обработка состоит в шлифовке и последующей полировке пластин. Шлифовка и полировка пластин производится на плоскошлифовальных прецизионных станках с использованием абразивных материалов с размером зерна около 40 мкм (микропорошки). Чаще всего применяют группы микропорошков с зернами 14 мкм и меньше. В таблице 3 приведены марки и размеры зерен основной фракции используемых микропорошков. Микропорошки М14, М10, М7, М5 изготавливаются из карбидов бора, кремния и электрокорунда, микропорошки марок АСМ - из алмаза.

Таблица 3-- Микропорошки для шлифовки и полировки пластин кремния

В зависимости от типа микропорошка выбирается материал поверхности шлифовальщика. При шлифовке пластин микропорошками М14-М15 применяют стеклянный шлифовальщик, при полировке микропорошками АСМ - специальные шлифовальщики с поверхностью из тканевых материалов. При обработке пластин на рабочий шлифовальщик устанавливаются три головки с наклеенными пластинами. Головки удерживаются от перемещения по шлифовальщику специальными направляющими кронштейнами с опорными роликами (рисунок 6). За счет силы трения возникающей между соприкасающимися поверхностями рабочего шлифовальщика и головок, последние вращаются вокруг своих осей. Это вращение головок создает условия для равномерного шлифования или полирования.

При шлифовании микропорошками М14 - М15 используют водные суспензии с соотношением воды к абразиву 31, при полировке пластин специальные алмазные пасты.

В настоящее время принята определенная последовательность операций при механической обработке пластин. При этом учитывается то, что толщина снимаемого слоя на каждой операции должна превышать толщину нарушенного слоя, который образовался на предыдущей операции. Пластины шлифуют с двух сторон, а полируют только рабочую сторону.

Таблица 4 -- Характеристики микропорошков

Рисунок 6 -- Схема плоскошлифовального станка и расположения головок: 1-- дозирующее устройство с абразивной суспензией; 2-- грузы; 3-- головка; 4-- пластины; 5-- шлифовальщик; 6-- направляющий ролик

В целом механическая обработка пластин, удовлетворяющих требованиям планарной технологии, приводит к большим потерям кремния (около 65%).

Химическое травление полупроводниковых пластин и подложек сопровождается удалением поверхностного слоя с механически нарушенной кристаллической структурой, вместе с которым удаляются и имеющиеся на поверхности загрязнения. Травление является обязательной технологической операцией.

Кислотное травление полупроводников в соответствии с химической теорией идет в несколько этапов: диффузия реагента к поверхности, адсорбция реагента поверхностью, поверхностные химические реакции, десорбция продуктов реакции и диффузия их от поверхности.

Травители, для которых самыми медленными, определяющими суммарный процесс травления этапами являются диффузионные, называются полирующими. Они нечувствительны к физическим и химическим неоднородностям поверхности, сглаживают шероховатости, выравнивая микрорельеф. Скорость травления в полирующих травителях существенно зависит от вязкости и перемешивания травителя и мало зависит от температуры.

Травители, для которых самыми медленными стадиями являются поверхностные химические реакции, называются селективными. Скорость травления в селективных травителях зависит от температуры, структуры и кристаллографической ориентации поверхности и не зависит от вязкости и перемешивания травителя. Селективные травители с большой разницей скоростей травления в различных кристаллографических направлениях принято называть анизотропными.

Поверхностные химические реакции при полирующем травлении проходят в две стадии: окисление поверхностного слоя полупроводника и перевод окисла в растворимые соединения. При травлении кремния роль окислителя выполняет азотная кислота:

Фтористоводородная (плавиковая) кислота, входящая в состав травителя, переводит окись кремния в тетрафторид кремния:

Для травления, дающего зеркальную поверхность пластин, используют смесь указанных кислот в соотношении 3:1, температура травления 30...40°С, время травления около 15 с.

1.4.5 Операции разделения подложек на платы

Ломка проскрайбированных пластин -- весьма ответственная операция. При неправильном разламывании даже хорошо проскрайбированных пластин возникает брак: царапины, сколы, нарушение формы кристаллов и т. п.

Разделение пластин скрайбированием осуществляют в две стадии: вначале на поверхность пластины между готовыми микросхемами наносят в двух взаимно перпендикулярных направлениях неглубокие риски, а затем по этим рискам размалывают ее на прямоугольные или квадратные кристаллы. При сквозном разделении пластину прорезают режущим инструментом насквозь.

Алмазное скрайбирование состоит в создании на полупроводниковой пластине между готовыми структурами рисок или разделительных канавок механическим воздействием на нее алмазного резца (рисунок 7), что приводит к образованию неглубоких направленных трещин. При приложении дополнительных усилий в процессе разламывания трещины распространяются на всю толщину пластины, в результате чего происходит разделение ее на отдельные кристаллы.

Основным достоинством скрайбирования наряду с высокими производительностью и культурой производства является малая ширина прорези, а следовательно, отсутствие потерь полупроводникового материала. Обычно ширина риски не превышает 1020 мкм, а глубина 510 мкм, скорость движения резца 5075 мм/с, нагрузка на резце 1,21,4 Н.

Рисунок 7 -- Скрайбирование алмазным резцом: а) -- нанесение рисок; б) -- пластина с рисками; в) -- конструкция алмазной пирамиды (1 -- режущая грань резца; 2 -- дорожки для скрайбирования в слое защитного диэлектрика; 3 -- полупроводниковые микросхемы; 4 -- кремниевая пластина)

Качество скрайбирования и последующей ломки в значительной степени зависят от состояния рабочей части алмазного резца. Работа резцом в изношенным режущим ребром или вершиной приводит к сколам при скрайбировании и некачественной ломке. Обычно скрайбирование выполняют резцами, изготовленными из натурального алмаза, которые по сравнению с более дешевыми резцами из синтетических алмазов имеют большую стоимость. Получили распространение резцы, имеющие режущую часть в форме трехгранной или усеченной четырехгранной пирамиды (рисунок 7, в), режущими элементами которой являются ее ребра.

При лазерном скрайбировании (рисунок 8) разделительные риски между готовыми структурами создают испарением узкой полосы полупроводникового материала с поверхности пластины во время ее перемещения относительно сфокусированного лазерного луча. Это приводит к образованию в пластине сравнительно глубоких (до 50...100 мкм) и узких (до 25…40 мкм) канавок. Канавка, узкая и глубокая по форме, играет роль концентратора механических напряжений. При разламывании пластины возникающие напряжения приводят к образованию на дне канавки трещин, распространяющихся сквозь всю толщину пластины, в результате чего происходит ее разделение на отдельные кристаллы.

Наряду с созданием глубокой разделительной канавки достоинством лазерного скрайбирования является его высокая производительность (100...200 мм/с), отсутствие на полупроводниковой пластине микротрещин и сколов. В качестве режущего инструмента используют импульсный оптический квантовый генератор с частотой следования импульсов 5...50 кГц и длительностью импульса 0,5 мс.

Рисунок 8 -- Схема лазерного скрайбирования полупроводниковой пластины

1.4.6 Разделение пластин на кристаллы

Разламывание пластин на кристаллы после скрайбирования осуществляется механически, приложив к ней изгибающий момент. Отсутствие дефектов кристаллов зависит от приложенного усилия, которое зависит от соотношения габаритных размеров и толщины кристаллов.

Наиболее простым способом является разламывание пластин на кристаллы валиком (рисунок 9). Для этого пластину 3 помещают рабочей поверхностью (рисками) вниз на мягкою гибкою (из резины) опору 4 и с небольшим давлением прокатывают ее последовательно в двух взаимно перпендикулярных направлениях стальным или резиновым валиком 1 диаметром 1030 мм. Гибкая опора деформируется, пластина изгибается в месте нанесения рисок и ломается по ним. Таким образом, разламывание происходит в две стадии - вначале на полоски, затем на отдельные прямоугольные или квадратные кристаллы.

Рисунок 9 -- Разламывание полупроводниковых пластин на кристаллы валиком: 1 -- валик; 2 -- защитная пленка; 3 -- кристалл; 4 -- опора

Валик должен двигаться параллельно направлению скрайбирования, иначе ломка будет происходить не по рискам. Брак может проявиться также в том случае, если полоски или отдельные кристаллы смещаются относительно друг друга в процессе ломки. Поэтому перед ломкой пластины покрывают сверху тонкой эластичной полиэтиленовой пленкой 2, что позволяет сохранить ориентацию кристаллов в процессе ломки и избежать произвольного разламывания и царапания друг друга. Смещения кристаллов можно также избежать, поместив пластину перед разламыванием в герметичный полиэтиленовый пакет и откачав из него воздух.

Применяют различные установки, в которых валики движутся строго параллельно направлению рисок и имеют регулировки нагрузки. Более совершенен способ прокатывания пластины между двумя валиками (рисунок 10), при котором обеспечивается нагрузка, пропорциональная длине скрайберной риски.

Рисунок 10 -- Разламывание полупроводниковой пластины прокатыванием между валиками: 1 -- пластина; 2 -- упругий валик; 3 -- защитная пленка; 4 -- стальной валик; 5 -- пленка-носитель

Пластину 1, расположенную рисками вверх, прокатывают между двумя цилиндрическими валиками: верхним упругим (резиновым) 2 и нижним стальным 4. Для сохранения первоначальной ориентации кристаллов пластину закрепляют на термопластичной или адгезионной пленке-носителе 5 и защищают ее рабочую поверхность полиэтиленовой или лавсановой пленкой 3. Расстояние между валиками, определяемое толщиной пластины, устанавливают, перемещая один из них.

При прокатке более упругий валик в зависимости от толщины пластины деформируется и к ней прикладывается нагрузка, пропорциональная площади ее поперечного сечения или длине скрайберной риски. Пластина изгибается и разламывается по рискам, вначале на полоски, а после поворота на 90 - на кристаллы.

Рисунок 11 -- Разламывание полупроводниковой пластины на сферической основе: 1 -- сфера; 2 -- пластина; 3 -- резиновая диафрагма

При разламывании на сферической опоре (рисунок 11) пластину 2, расположенную между двумя тонкими пластичными пленками, помещают рисками вниз на резиновую диафрагму 3, подводят сверху сферическую опору 1 и с помощью диафрагмы пневмоническим и гидравлическим способами прижимают к ней пластину, которая разламывается на отдельные кристаллы. Достоинствами этого способа являются простота, высокая производительность, (ломка занимает не более 11,5 мин) и одностадийность, а также достаточно высокое качество, т.к. кристаллы не смещаются относительно друг друга.

Таблица 5 -- Глубина нарушенного слоя пластин кремния после различных видов механической обработки