Химические способы очистки поверхностей полупроводниковых пластин 
Химические способы очистки поверхностей полупроводниковых пластин
Содержание
Стр.
1. Введение
2
2. Подложки интегральных микросхем и их назначение
3
2.1. Назначение подложек
3
2.2. Кремний - основной материал полупроводникового производства 4
3. Виды загрязнений поверхности подложек и пластин
5
3.1. Возникновение загрязнений
5
3.2. Источники загрязнений
6
3.3. Виды загрязнений 6
4. Методы удаления загрязнений
8
4.1. Классификация методов очистки пластин и подложек 8
4.2. Способы жидкостной обработки пластин и подложек
9
4.2.1. Обезжиривание
9
4.2.2. Травление
10
4.2.3. Промывание пластин и подложек
13
4.2.4. Интенсификация процессов очистки 13
4.3. Способы сухой очистки пластин и подложек 15
4.3.1. Термообработка
15
4.3.2. Газовое травление
16
4.3.3. Ионное травление
17
4.3.4. Плазмохимическое травление
17
4.4. Типовые процессы очистки пластин и подложек 19
5. Заключение
20
6. Список литературы
20
1. Введение
Современный этап развития радиоэлектроники характеризуется широким
применением интегральных микросхем (ИМС) во всех радиотехнических системах
и аппаратуре. Это связано со значительным усложнением требований и задач,
решаемых радиоэлектронной аппаратурой, что привело к росту числа элементов
в ней. За каждое десятилетие число элементов в аппаратуре увеличивается в 5-
20 раз. Разрабатываемые сейчас сложные комплексы аппаратуры и системы
содержат миллионы и десятки миллионов элементов. В этих условиях
исключительно важное значение приобретают проблемы повышения надежности
аппаратуры и ее элементов, микроминиатюризации электро-радиокомпонентов и
комплексной миниатюризации аппаратуры. Все эти проблемы успешно решает
микроэлектроника.
Интегральная и функциональная микроэлектроника являются фундаментальной
базой развития всех современных систем радиоэлектронной аппаратуры. Они
позволяют создавать новый вид аппаратуры - интегральные радиоэлектронные
устройства.
Микроэлектроника - одно из магистральных направлений в радиоэлектронике, и
уровень ее развития в значительной степени определяет уровень научно-
технического прогресса страны.
Применяют два основных метода изготовления ИМС - полупроводниковый и
пленочный.
Первый метод заключается в локальной обработке микроучастков
полупроводникового кристалла и придании им свойств, присущих функциям
отдельных элементов и их соединений (полупроводниковые интегральные
микросхемы).
Второй метод основан на использовании послойного нанесения тонких
пленок различных материалов на общее основание (подложку) при одновременном
формировании на них схемных элементов и их соединений (пленочные
интегральные микросхемы).
В обоих случаях важное значение имеет качество обработки поверхности
полупроводниковых пластин и подложек.
* Подложка - заготовка, предназначенная для нанесения на нее элементов
гибридных и пленочных ИМС, межэлементных и (или) межкомпонентных
соединений, а также контактных площадок.
2. Подложки интегральных микросхем и их назначение.
Подложки в технологии изготовления и конструировании пленочных и
гибридных ИМС в микросборках играют очень важную роль. Подложки являются
основанием для группового формирования на них ИМС, главным элементом
конструкции ИМС и микросборок, выполняющим роль механической опоры,
обеспечивают теплоотвод и электрическую изоляцию элементов.
2.1. Назначение подложек.
В технике ИМС подложки выполняют две функции:
а) являются основанием, на поверхности или в приповерхностном слое
которого по заданному топологическому рисунку формируют структуры ИМС;
б) являются элементом конструкции, обеспечивающим практическое
применение ИМС в корпусном или бескорпусном исполнении.
Подложки классифицируют как по структурным признакам, так и по
назначению. По структурным признакам подложки подразделяют на аморфные,
поликристаллические и монокристалличёские, а по назначению - на подложки
для полупроводниковых, пленочных, гибридных ИМС и микросборок.
Для изготовления полупроводниковых ИМС применяют в основном
полупроводниковые монокристаллические подложки (полупроводниковые
пластины), а для пленочных и гибридных ИМС - аморфные поликристаллические
(диэлектрические) подложки.
* Полупроводниковая пластина - заготовка из полупроводникового
материала, используемая для изготовления полупроводниковых ИМС.
В отдельных случаях при изготовлении полупроводниковых ИМС используют
диэлектрические подложки, а при изготовлении гибридных ИМС и микросборок -
металлические подложки. К конструкции и материалу подложек предъявляется
ряд требований, вытекающих из необходимости воспроизведения и обеспечения
заданных электрических параметров элементов и ИМС, их надежности в самых
различных условиях эксплуатации, и обусловленных также особенностями
технологии изготовления и сборки ИМС.
Монокристаллические пластины из разных полупроводниковых материалов
составляют основу для изготовления полупроводниковых ИМС различного
конструктивно-технологического исполнения и функционального назначения.
Пригодность полупроводникового материала для использования в
интегральных микросхемах определяется в основном параметрами, зависящими от
его физических свойств: оптических, термических, термоэлектрических, зонной
структуры, ширины запрещенной зоны, положения в ней примесных уровней и др.
Очень важны электрические свойства полупроводникового материала: тип
электропроводности, концентрация носителей заряда, их подвижность, удельное
сопротивление, время жизни неосновных носителей заряда и их диффузионная
длина - существенно зависящие от технологии получения полупроводника.
2.2. Кремний - основной материал полупроводникового производства.
В настоящее время из всех полупроводниковых материалов наибольшее
применение для изготовления полупроводниковых ИМС получил кремний.
Кремний - элемент IV группы Периодической системы элементов
Д.И.Менделеева, один из самых распространенных элементов на Земле,
содержание его в земной коре составляет 29,5%. В природе кремний
встречается только в соединениях в виде окисла и в солях кремниевых кислот.
Чистота природной окиси кремния в виде монокристаллов кварца иногда
достигает 99,99%; в ряде месторождений чистота песка составляет 99,8-99,9%.
Технический кремний, получаемый восстановлением двуокиси кремния SiO2 в
электрической дуге между графитовыми электродами, содержит около 1%
примесей и как полупроводник не может быть использован; он является
исходным сырьем для получения кремния полупроводниковой чистоты, примесей в
котором должно быть менее [pic].
Разработана промышленная технология, позволяющая получать особо чистый
кремний с содержанием примесей [pic][pic]
Более широкое применение кремния обусловлено преимуществом его
физических и технологических свойств по сравнению с другими
полупроводниками (в частности, с германием).
Для изготовления полупроводниковых приборов и ИМС используют
выпускаемые промышленностью пластины кремния четырех |видов:
1) Однослойные p- и n- типов;
2) Двухслойные р- или n- типа с эпитаксиальным n-слоем, покрытые
оксидом либо нитридом кремния;
3) Двухслойные р-типа с эпитаксиальным n- слоем и скрытым n+- слоем;
4) Гетероэпитаксиальные структуры типа кремний на сапфире.
Однослойные пластины кремния р- и n-типов получают резкой слитков
монокристаллического кремния диаметром 50-150 мм на пластины толщиной 0,25-
0,4 мм. Промышленностью выпускаются слитки монокристаллического кремния,
которые в зависимости от типа электропроводности и значения удельного
сопротивления подразделяются на пять групп.
Подготовка пластин, получаемых из слитков монокристаллического кремния,
является одним из важнейших этапов производства ИМС и включает в себя
следующие операции: ориентацию слитков по кристаллографическим осям, резку
слитков на пластины, шлифование, полирование, травление и очистку
поверхностей от загрязнений различных типов, приобретённых на предыдущих
этапах обработки.
3. Виды загрязнений поверхности подложек и пластин.
3.1. Возникновение загрязнений.
Электрические характеристики ИМС и их надежность во многом
обусловливаются степенью совершенства кристаллической решетки и чистотой
обрабатываемой поверхности пластин и подложек. Поэтому обязательным
условием получения бездефектных полупроводниковых и пленочных структур
является отсутствие на поверхности пластин и подложек нарушенного слоя и
каких-либо загрязнений.
Как известно, нарушенный приповерхностный слой полупроводниковых
пластин является следствием их механической обработки. Используемые при
подготовке пластин методы шлифования, полирования и травления позволяют
удалить нарушенный слой (рис. 1).
[pic]
Рис. 1.
Изменение толщины нарушенного слоя при механической обработке
монокристаллических полупроводниковых пластин:
1) после резки; 2) после шлифования; 3)после полирования; 4) после
травления.
Однако атомы материала пластины (подложки), расположенные на ее
поверхности, имеют намного больше ненасыщенных связей, чем атомы в объеме.
Этим объясняются высокие адсорбционные свойства и химическая активность
поверхности пластин.
В условиях производства ИМС пластины и подложки соприкасаются с
различными средами, и полностью защитить их от адсорбции различного рода
примесей невозможно. В то же время получить идеально чистую поверхность
(без посторонних примесей) тоже практически невозможно. Поэтому применяемое
в технике понятие «чистая поверхность» имеет относительный характер.
Технологически чистой считают поверхность, которая имеет концентрацию
примесей, не препятствующую воспроизводимому получению заданных значений и
стабильности параметров ИМС. Допустимая концентрация примесей на
поверхности пластин зависит от сложности ИМС и способа ее формирования, в
худшем случае она не должна превышать [pic].
Для обеспечения эффективной очистки с целью получения технологически чистой
поверхности пластин (подложек) необходимо знать источник и вид загрязнения,
характер его поведения на поверхности, методы удаления.
3.2. Источники загрязнений.
Основными источниками загрязнений поверхности пластин и подложек являются:
абразивные и клеящие материалы, кремниевая пыль при механической обработке;
пыль в производственных помещениях; предметы, с которыми соприкасаются
пластины и подложки (оборудование, инструмент, оснастка, технологическая
тара); технологические среды; органические и неорганические реагенты, вода;
одежда и открытые участки тела операторов и др.
Загрязнение пластин и подложек практически возможно на всех операциях
технологического процесса изготовления кристаллов и сборки ИМС.
3.3. Виды загрязнений.
Возможные загрязнения на поверхности пластин и подложек классифицируют, как
правило, по их физико-химическим свойствам, так как они определяют выбор
методов удаления загрязнений. Наиболее распространенными являются
загрязнения следующих видов:
Физические загрязнения - пылинки, ворсинки, абразивные материалы, силикаты,
кремниевая пыль и другие посторонние частицы, химически не связанные с
поверхностью пластин и подложек.
Загрязнения, химически связанные с поверхностью пластин и подложек -
оксиды, нитриды и другие соединения.
Органические загрязнения - неполярные жиры, масла, силиконы и другие
неионные примеси.
Растворимые в воде полярные загрязнения - соли, кислоты, остатки
травителей, флюсы и пр.
Газы, адсорбированные поверхностью пластин и подложек.
На поверхности пластин и подложек одновременно могут присутствовать
загрязнения различных видов. Типичные загрязнения и их источники,
встречающиеся в технологии полупроводниковых ИМС, приведены в таблице 1.
Типичные загрязнения
полупроводниковых пластин и их источники
Таблица 1.
|Загрязнения |Возможные источники |
|Волокна (нейлон, |Одежда, ткани, бумажные изделия |
|целлюлоза и т. д.) | |
|Силикаты |Горные породы, песок, почва, зола, пепел |
|Окислы и окалина |Продукты окисления некоторых металлов |
|Масла и жиры |Масла от машинной обработки, отпечатки |
| |пальцев, жиры с открытых участков тела, |
| |средства для волос, мази, лосьоны |
|Силиконы |Аэрозоли для волос, кремы, лосьоны после |
| |бритья, лосьоны для рук, мыло |
|Металлы |Порошки и отходы машинной обработки и |
| |шлифовки; изготовление металлических частей;|
| |частицы из металлических банок для хранения |
| |и металлических контейнеров |
|Ионные примеси |Продукты дыхания, отпечатки пальцев (хлорид |
| |натрия); примеси из очищающих растворов, |
| |содержащие ионные детергенты; некоторые |
| |флюсы; примеси от предварительной химической|
| |операции, такой, как травление или |
| |металлизация |
|Неионные примеси |Неионные детергенты, органические материалы |
| |для обработки |
|Растворимые примеси |Очищающие растворители и растворы |
Наиболее трудно удаляются органические и химически связанные с поверхностью
загрязнения, а также загрязнения от абразивных материалов, полярные газы и
ионы, внедренные в приповерхностный слой пластин.
4. Методы удаления загрязнений.
4.1. Классификация методов очистки пластин и подложек.
Для удаления загрязнений используют различные методы, на физических
принципах которых разрабатывают процессы очистки. По механизму протекания
процессов все методы очистки классифицируют на физические и химические, а
по применяемым средствам - на жидкостные и сухие (рис.2).
В основу каждого способа очистки положен один из трех методов удаления
загрязнений с поверхности:
механическое удаление частиц загрязнителя потоком жидкости или газа;
растворение в воде;
химическая реакция.
[pic]
Рис. 2.
Классификация методов очистки пластин и подложек
К физическим методам удаления загрязнений относят растворение, отжиг,
обработку поверхности ускоренными до больших энергий ионами инертных газов.
Эти методы используют в основном для удаления загрязнений, расположенных на
поверхности. Для удаления загрязнений на поверхности и в приповерхностном
слое, в том числе тех, которые находятся в химической связи с материалом
пластины или подложки, используют химические методы удаления. Они основаны
на переводе путем химической реакции загрязнений в новые соединения,
которые затем легко удаляются (травление, обезжиривание).
* Очистка, при которой удаляется приповерхностный слой пластины или
подложки, называется травлением.
Жидкостная очистка предусматривает использование водных и других растворов
различных реактивов. Целый ряд органических жировых загрязнений не
растворяется в воде и препятствует смачиванию водой и большинством
растворов обрабатываемой поверхности (поверхность гидрофобная). Для
обеспечения равномерной очистки поверхность пластин и подложек переводят в
гидрофильное, т. е. хорошо смачиваемое водой, состояние.
* Процесс удаления жировых загрязнений, сопровождаемый переводом
поверхности из гидрофобного состояния в гидрофильное, называется
обезжириванием.
Сухая очистка основана на использовании отжига, газового, ионного и
плазмохимического травления. Эти способы исключают применение дорогостоящих
Страницы: 1, 2
|
