Размещено на http://allbest.ru/

МИНИСТЕТСВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по предмету: КиТИИЭ

на тему: Этапы подготовки полупроводниковых пластин

Студент Г.Г. Белоцкий

МИНСК 2010



Содержание

1. Этапы подготовки полупроводниковых пластин

2. Использование электронно-лучевой технологии для процессов нанесения тонкопленочных слоев



1. Этапы подготовки полупроводниковых пластин

Современные полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы представляют собой чрезвычайно сложные устройства, отдельные компоненты которых имеют размеры не более доли микрометра. Изготовление таких устройств осуществляется на монокристаллических полупроводниковых пластинах с использованием фотолитографии. Полупроводниковые пластины, предназначенные для формирования изделий микроэлектроники, характеризуются сoвepшенной атомной структурой и высокой геометрической точностью обеспечения этих качеств разработана оригинальная технология механической, химической и химико-механической обработки моно-кристаллических материалов, создано прецизионное оборудование, зачастую не имеющее аналогов в других отраслях народного хозяйства. Обработка полупроводниковых пластин требует высокой квалификации операторов и обслуживающего персонала, неукоснительного соблюдения технологической дисциплины.

К качеству поверхности пластин и кристаллов в полупроводниковой технике предъявляют жесткие требования, к которым относятся следующие:

1. Толщина пластин не должна отличаться от номинала более чем на ±10 мкм при среднем значении толщины 500 мкм для Si пластин диаметром 100 мм, 675 мкм для диаметра 150 мм и 900 мкм - диаметром 200 мм. Соблюдение этого требования необходимо для нормальной работы оборудования практически на всех операциях технологического процесса.

Отклонение диаметра Si пластин диаметром 100 мм и 150 мм ±0,5 мм. Кремневая пластина имеет вид:

электронный лучевой микросхема напыление



Рис.1. Вид кремниевой пластины.

2. Точность ориентации кристаллической плоскости пластины должна находится в пределах ±0,5?, так как от этого зависит воспроизводимость процессов окисления, диффузии, имплантации примесей и т.д. Наиболее часто используют кристаллы, вырезанные по плоскостям (111) в биполярной и (100) в МДП-технологии.

3. Плоскопараллельность пластин регламентируется отклонением от плоскости не более ±5 мкм по всему диаметру пластины.

4. Сведение к минимуму или полное отсутствие механически наружного слоя. Это требование связано с малой глубиной залегания диффузионных или имплантированных p-n переходов.

5. Шероховатость рабочей стороны не должна превышать 0,05 мкм (Rz<0,05 мкм), шероховатость не рабочей стороны Ra?0,5 мкм (шлифовано-травленной) и Ra<0,08 мкм (полированной).

Она имеет скругленный край по периферии с целью предотвращения появления сколов и трещин при ударах об опоры и края кассет в автоматизированных системах транспортировки. Скругленный край позволяет также избавиться от возникновения краевого утолщения ("валика") при нанесении фоторезиста и "короны" при эпитаксиальном наращивании.

Рабочая сторона пластин должна быть полированной высокой степени структурного совершенства, без остаточного нарушенного слоя.

Механические нарушения (риски, царапины, выколы, микротрещины) приводят к изменению характеристик ИМС и их деградации. Нерабочая сторона может быть шлифовано-травленной или полированной. На поверхности пластины должны отсутствовать загрязнения, пятна, остатки наклеечных веществ.

Для визуального определения ориентации, типа электропроводности и удельного сопротивления кремниевых пластин на них имеется базовый и дополнительный срезы.

Рис.2. Виды пластин: а - КДБ 10 (111); б - КЭФ 4,5 (100); в - КЭФ 4,5 (111).

Базовый срез служит для базирования пластин в установках литографии. Его длина для пластин диаметр 76 и диаметр 100 мм составляет 20-25 и 30-35 мм. Выполняют его в определенном кристаллографическом направлении. В дальнейшем параллельно срезу будет располагаться одна из сторон кристалла в готовой ИМС. Дополнительные срезы находятся под углом 45?, 90? или 180? к основному и имеют длину 9-11 и 16-20 мм для пластин диаметром 76 и 100 мм.

На пластинах из арсенида галлия дополнительный срез, расположенный под углом 90? к базовому используют для маркировки рабочей стороны, а параллельный базовому - для обозначения разориентации плоскости пластины относительно кристаллографической плоскости.



Рис.3. Пластины с разориентацией (а) и без разориентации (б).

Для изготовления пластин из полупроводникового монокристаллического слитка используют следующий маршрут: подготовка слитка и разделение его на пластины, предварительная, а затем окончательная обработка пластин.

Слитки калибруют (шлифуют) по диаметру в связи с тем, что после выращивания они могут иметь конусность и волнистость цилиндрической поверхности, а также отклонения диаметра превышающие допустимые значения (для диаметра 100 мм ±0,5 мм). Шлифовку выполняют по наружному диаметру на универсальных круглошлифовальных станках алмазным шлифом. Кругом зернистостью АСМ 50/40.

Схема подготовки и разрезания полупроводникового слитка на пластины:

Приклеивание центров к слитку;

Калибрование слитка по диаметру;

Отклеивание центров от слитка;

Подготовка торцов слитка к ориентации;

Ориентация базового среза на слитки и проверка ориентации торца;

Изготовление срезов на слитке;

Ориентированное наклеивание слитка;

Разрезание слитка на пластины;

Химическая очистка пластин;

Контроль пластин после резки.



Рис.4. Шлифование слитков.

Перед шлифовкой к торцу слитка (4) наклеечной мастикой (3) приклеивают центры (2). При этом необходимо выдерживать соосность слитка и лини центров, чтобы припуск на обработку был равномерно распределен по окружности сечения слитка.

Режимы обработки слитка: частота вращения шлифовального круга (2500±500) об/мин, частота вращения шпинделя передней бабки (350±50) об/мин, скорость перемещения стола 2-4 м/мин, радиальная подача шлифовального круга 0,005 - 0,02 мм/дв. ход.

При шлифовке по диаметру слиток охлаждают водой или специальной жидкостью для отвода тепла из зон шлифования.

После калибрования слитка центры отклеивают и подшлифовывают торцы слитка, подготавливая его для ориентации.

Для определения кристаллографического направления, вдоль которого должен быть расположен базовый срез, а также значения и направления отклонения плоскости торца слитка от заданной кристаллографической плоскости используют рентгеновские дифрактометрический метод. Он основан на особенности отражения падающих рентгеновских лучей плоскостями кристаллической решетки.



Рис.5. Определение кристаллографического направления: 1 - слиток; 2 - счетчик Гейгера; 3,5 - отраженный и падающий луч; 4 - торец слитка; 6 - рентгеновская трубка.

Для каждой кристаллографической плоскости существует свой угол и, значение которой приводится в справочниках, интенсивность отраженного излучения при котором будет максимальна.

Угол д указывают в сопроводительном листе на слиток. Плоскость базового среза определяют аналогично, только рентгеновский пучок направляют в плоскости оси слитка на его цилиндрическую поверхность. При вращении слитка вокруг оси регистрируют счетчиком Гейгера максимальную интенсивность отраженного пучка (рентгеновские ус-ки УРС-50И, ДРОН-2, ДРОН-3).

Изготовление базового и дополнительного срезов осуществляют путем шлифовки по всей длине слитка на плоскошлифовальных станках алмазным шлифовальным кругом зернистостью АСМ50/40. Слиток закрепляют в специальном зажимном приспособлении, чтобы отметка ориентации среза располагалась параллельно базовой плоскости приспособления. Приспособление устанавливают на металлическом столе станка (тип 9927 или 3Г71). При шлифовке дополнительного среза слиток разворачивают на угол между этим срезом и базовым. В зону шлифований подают охлаждающую жидкость. Контролируют ширину среза миллиметровой линейкой.

Перед разрезанием слитка на пластины производят его ориентированное наклеивание. Монокристаллический слиток приклеивают наклеечной мастикой торцевой или цилиндрической поверхностью к основанию или подложке в специальной оправке и вместе с ней устанавливают на держатель, расположенный на станке.

При резке слитков больших диаметров их наклеивают торцовой и цилиндрической поверхностями одновременно.

Для ориентированной резки позволяют повернуть оправу со слитком в горизонтальной и вертикальной плоскостях на угол разориентации.

Для разрезания полупроводниковых слитков на пластины ранее использовались такие методы, как резка диском с наружной режущей кромкой, проволокой или полотнами, шаржированнными алмазами.

В последнее время наибольшее распространение получил метод резки, при котором в качестве режущего инструмента используют диск с внутренней алмазной режущей кромкой.

Инструмент представляет собой тонкий (от 0,1 до 0,15 мм) металлический диск (основа) с центральным отверстием, на кромку которого гальваническим способом нанесен алмазный слой с никелевой связкой.

Алмазные зерна имеют размеры 40 - 60 мкм при резке кремния и 20-40 мкм при резке арсенида галлия.



Рис.6. Диск для резки слитков на пластины.

Наружный диаметр диска и диаметр его центрального отверстия зависит т диаметра разрезаемого слитка и для слитков диаметром 200 мм могут быть соответственно 685 и 254 мм.

Рис.7. Установка для резки слитка на пластины: 1 - шпиндель; 2 - диск; 3 - слиток; 4 - держатель слитка.

Слиток (3), закрепленный в держателе (4), разрезается алмазной кромкой вращающегося диска при перемещении слитка или диска в направлении, перпендикулярном оси барабана.

Отрезанные пластины попадают в сборник, заполненный водой, остаются на оправке или удаляются вакуумным съемником. При резке разрезаемый материал деформируется, алмазные зерна трутся об него и выделяется большое количество теплоты. Поэтому алмазный диск непременно охлаждают водой или специальной охлаждающей жидкостью.

После резки контролируют геометрические параметры пластин: толщину, разброс толщины в партии пластин и в пределах площади пластин - разнотолщинность.

Рис.8. Примеры дефектов пластин: Дh = h2-h1 - разнотолщинность; д - неплоскостность; F - прогиб.

Качество поверхности характеризуется шероховатостью и глубиной нарушенного слоя.

Шероховатость: среднее арифметическое отклонение профиля Ra, высота микронеровностей Rz.

После резки параметры шероховатости должны находится в пределах Rz=1-1,5 мкм, Ra=0,2-0,3 мкм.

Нарушенный слой после резки состоит из трех зон.



Рис.9. Структура поверхности пластины после резки.

I - зона рельефа с поликристаллической структурой, толщина которой 0,2-0,5 высоты микронеровностей.

II - зона трещин и дислокационных скоплений, которые являются главным дефектом резки. Второй слой в 3-6 раз толще первого.

III - зона с остаточным упругими направлениями.

Знать глубину нарушенного слоя необходимо для того, чтобы правильно назначить припуск на последующую сборку, при которой должна быть полностью удалена зона трещин и дислокаций.

Оперативно контролировать глубину нарушенного слоя можно селективно протравливая поверхность косого или сферического шлифа и анализируя его с помощью оптического микроскопа.

Глубина зоны трещин после резки обычно не превышает 15-20 мкм.

Операции резки не обеспечивает требуемых точности и качества поверхности пластин: имеются погрешности формы (неплоскостность, непараллельность плоскостей, изгиб), значительный нарушенный слой и большие отклонения по толщине.

Поэтому необходима дальнейшая обработка, которую выполняют с использованием абразивных материалов и подразделяют на предварительную и окончательную.

Предварительная обработка полупроводниковых пластин:

Пластины после резки;

Термообработка пластин;

Двухсторонняя шлифовка пластин;

Химическая очистка пластин;

Скругление края;

Травление пластин;

Контроль пластин после травления.

Пластины больших диаметров (?100 мкм), полученные после разрезания слитка, подвергают термообработке при температуре t=600?С. Термообработку проводят для получения заданного удельного сопротивления кремния.

Затем выполняют шлифовку плоских поверхностей пластин, и химическую очистку, скругление краев и травление наружного слоя. Оно выполняется для уменьшения припуска на последующую окончательную обработку рабочей стороны и снятия остаточных механических напряжений от шлифовки. Иногда нарушенный слой стравливают не полностью для создания механического геттера на нерабочей стороне пластины - области стока для дефектов и вредных примесей. При такой обработке нерабочая сторона пластины остается матовой.

2. Использование электронно-лучевой технологии для процессов нанесения тонкопленочных слоев

Основными участниками процесса нанесения пленки являются кристаллическая подложка, которая должна удовлетворять ряду требований (например, возможности эпитаксиального роста продукта на ней), и источник паров целевого продукта или исходных компонентов (тогда одновременно с осаждением на подложке будет происходить и химическая реакция).

Получение качественных тонких пленок -- сложная многопараметрическая задача. В качестве основных управляющих параметров процесса следует указать на кристаллографическую ориентацию подложки и качество ее поверхности, температуру подложки, скорость нанесения пленки, которая зависит как от величины пересыщения пара, так и от газодинамических особенностей реактора.

Чтобы образовалось покрытие на поверхности твердотельной подложки, частицы осаждаемого материала должны пролететь через среду-носитель и вступить в непосредственный контакт с подложкой. После попадания на поверхность значительная часть частиц должна адсорбироваться на ней либо за счет химической реакции с поверхностью образовать новое соединение, которое останется на поверхности. Эти частицы могут быть атомами, молекулам, ионами атомов, ионизированными молекулами или маленькими кусочками материала, как заряженными, так и незаряженными.

Механизм электронно-лучевого испарения : посредством нагрева нити накала которая служит катодом, происходит термоэмиссия электронов, причем нить накала располагается не на одной линии с подложкой, таким образом, устраняется появление в пленке примесей от материала катода.

Лучшие результаты при напылении получаются, если испаряемый материал разместить в небольшом углублении охлаждаемого водой медного нагревателя. Электронный ток силой 100--500 мА эмитируется вольфрамовой нитью накала, находящейся вне поля прямого видения со стороны испаряемого вещества, и ускоряется высоким напряжением 3-- 10 кВ. Электронный луч с помощью магнитного поля направляется на маленький участок испаряемого вещества, которое локально плавится (рис). Некоторые соединения перед испарением подвергаются диссоциации и от испарителя в первую очередь отделяется компонент, который имеет более высокое давление пара. Для преодоления этого эффекта различные компоненты соединения испаряются из отдельных источников со скоростями, соответствующими молекулярному составу конденсата.

Принципиальная схема электронно-лучевого испарения в вакууме дана на рис.10.



Рис. 10 Принципиальная схема применения электронно-лучевого нагрева при вакуумном напылении:

1 - прикатодный, формирующий электрод;

2 - термоэлектронный катод;

3 - анод;

4 - поток электронов;

5 - система магнитной фокусировки;

6 - узел электромагнитного пучка на 90;

7 - водоохлажденный тигель;

8 - поток пара;

9 - заслонка;

10 - подложкодержатель;

11 - система вакуумирования.

Ускоренный пучок электронов с помощью отклоняющей системы непосредственно направляется на поверхность испаряемого материала. При столкновении с частицами окружающей среды электроны могут терять свою энергию и изменять направление движения. Число столкновений определяется концентрацией частиц, протяженностью электронного потока и его сечением. Для исключения газовыделений в процессе нагрева необходимо применять высокочистые исходные материалы.

Электронная пушка - устройство для создания, ускорения и фокусировки пучка электронов - состоит из катодного узла и системы фокусировки, обеспечивающей направленность потока (рис.9). Последняя, включает прикатодный фокусирующий электрод, ускоряющий анод и устройство магнитной фокусировки.

Рис.11 Схема плоско-лучевой электронной пушки:

1 - катодный узел;

2 - проволочный термоэлектронный катод;

3 - анод;

4 - ускоренный пучок электронов;

5 - устройство магнитного поворота электронов;

6 - водоохлаждаемый медный тигель;

7 - охлаждаемая ловушка для отраженных электронов.

Метод осуществляется при величине остаточного давления в камере не превышающей 10^-2 - 10^-3 Па.

Степень объемного заряда в электронном пучке оценивается по средствам величины коэффициента пространственного заряда (Р), определяемого уравнением:

P = I/ U ^3/2. (1)

Если Р 10^-8 А/В^3/2 , то влияние пространственного заряда не учитывают. Это типично для пушек с током 10^-3 А. Для мощных же генераторов электронов, с токами до 4 А и ускоряющими напряжениями 10-30 кэВ, формирование пучка в значительной мере определяется величиной объемного пространственного заряда.

В электронно-лучевых испарителях электроны ускоряются в электрическом поле до энергий 5-30 кэВ, и поэтому возможно возбуждение мягкого тормозного и характеристического рентгеновского излучения.

Анализ расходов энергии электронов показывает, что при удельной мощности 10³-10⁵ Вт/см² 30-40% расходуется на плавление и испарение (2-10% на испарение, 30-35% на плавление).Остальная мощность расходуется на теплообмен путем теплопроводности, излучения и уносится электронами, эмитируемыми из зоны нагрева. Последнее зависит как от испаряемого материала, так и от параметров электронного луча. При этом основная доля электронов уносится упруго и не упруго отраженными электронами, количество которых и энергия определяется, в первую очередь природой материала, и углом падения пучка и достигает, например, для стали 25%, для вольфрама 38%.



Литература

Зайцев И.В. Технология электроаппаратостроения: Учеб. пособие для ВУЗов. - М.: Высш. Школа, 2002. - 215с.

Технология деталей радиоэлектронной аппаратуры. Учеб. пособие для ВУЗов / С.Е. Ушакова, В.С. Сергеев, А.В. Ключников, В.П. Привалов; Под ред. С.Е. Ушаковой. - М.: Радио и связь, 2002. - 256с.

Технология производства ЭВМ / А.П. Достанко, М.И. Пикуль, А.А. Хмыль: Учеб. - Мн. Выш. Школа, 2004 - 347с.

Тявловский М.Д., Хмыль А.А., Станишевский В.К. Технология деталей и периферийных устройств ЭВА: Учеб. пособие для ВУЗов. Мн.: Выш. школа, 2001. - 256с.

Размещено на Allbest.ru