Полупроводникаовые пластины. Методы их получения

[pic]

Рис. 5 Калибровка слитка круглым  шлифованием: а,б - переферией и торцом круга,1 - ситок, 2 -шлифовальный круг

§ 4. Калибровка слитков

Как правило, калибровку производят способом наружного круглого шлифования алмазными кругами на металлической  связке (рис. 5). При этом используют как универсальные круглошлифовальные станки (рис. 5, а), так и специализированные станки (рис. 5, б), позволяющие производить калибровку с малыми радиальными силами резания. Если при калибровке кремниевого слитка на универсальном круглошлифовальном станке глубина нарушенного слоя достигает 150-250 мкм, то применение специализированных станков обеспечивает снижение глубины нарушенного слоя до 50-80 мкм. Калибровку чаще всего проводят в несколько проходов. Сначала за первые черновые проходы снимают основной припуск алмазными кругами зернистостью 160-250 мкм, затем осуществляют чистовую обработку алмазными кругами зернистостью 
40-63 мкм.

[pic]

Рис. 6. Примеры взаимного  расположения базовых и вспомогательных  срезов

на пластинах кремния:

а-КДБ 10 (Ill), б-КЭФ 4,5 (100); в-КЭФ 4.5 (Ill). а-КДБ 10 (100). Д-КЭФ 7,5 
(111). е-КЭФ (НИ, ас-КЭФ 0,5 (Ill), з-КЭФ 0.2 (111). н-КЭФ 2 (Ill), к-КЭС

0,01 (111)

После калибровки Цилиндрической поверхности на слитке выполняют базовый и дополнительные (маркировочные) срезы. Базовый срез делают для ориентации и базирования пластин на операциях фотолитографии. Дополнительные срезы предназначены для обозначения кристаллографической ориентации пластин и типа проводимости полупроводниковых материалов. Примеры расположения базовых и дополнительных срезов показаны на рис. 6, а - к. Ширины базового и дополнительных срезов регламентированы и зависят от диаметра слитка. 
Базовый и дополнительные срезы изготовляют шлифованием на плоскошлифовальных станках чашечными алмазными кругами по ГОСТ 16172-80 или кругами прямого профиля по ГОСТ 16167-80. Зернистость алмазного порошка в кругах выбирают в пределах 40/28-63/50 мкм. Один или несколько слитков закрепляют в специальном приспособлении,ориентируя необходимую кристаллографическую плоскость параллельно поверхности стола станка. В зону обработки подают смазочно-охлаждающую жидкость (например, воду).

Срезы можно  также изготовлять на плоскодоводочных станках с применением абразивных суспензий на основе .порошков карбида кремния или карбида бора с размером зерен 20-40 мкм. Шлифование свободным абразивом позволяет уменьшить глубину нарушенного слоя, но при этом снижается скорость обработки. Поэтому наиболее широко в промышленности распространено шлифование цилиндрической поверхности и срезов алмазными кругами.

После шлифования слиток травят в полирующей смеси  азотной, плавиковой и уксусной кислот, удаляя нарушенный слой. Обычно стравливают  слой толщиной 
0,2-1,0 мм. После калибровки и травления допуск на диаметр слитка составляет 0,5 мм. Например, слиток с номинальным (заданным) диаметром 60 мм может иметь фактический диаметр 59,5-60,5 мм.

§ 5. Разделение полупроводниковых слитков на пластины

Промышленное  получение полупроводниковых монокристаллов представляет собой выращивание близких к цилиндрической форме слитков, которые необходимо разделить на заготовки-пластины. Из многочисленных способов разделения слитков на пластины (резка алмазными кругами с внутренней или наружной режущей кромкой, электрохимическая, лазерным лучом, химическим травлением, набором полотен или проволокой, бесконечной лентой и др.) в настоящее время наибольшее применение нашли резка алмазными кругами с внутренней режущей кромкой, набором полотен и бесконечной лентой.

А л м а  з н ы й к р у г с  в н у т р е н н е  й р е ж у щ е й к  р о м к о й.

(AКВP) обеспечивает  разделение слитков достаточно  большого диаметра (до 
200 мм) с высокой производительностью, точностью и малыми потерями дорогостоящих полупроводниковых материалов. Круг АКВР представляет собой металлический кольцеобразный корпус толщиной 0,05-0,2 мм, на внутренней кромке которого закреплены алмазные зерна, осуществляющие резание. Корпус изготовляют из высококачественных коррозионно-стойких хромоникелевых сталей с упрочняющими легирующими добавками. В отечественной промышленности для корпусов используют сталь марки 12Х18Н10Т.

Формообразование  ленты производят способом холодной прокатки, в результате чего достигается  прочность на разрыв до 1760-1960 МПа. 
Недостатком холодной прокатки является возникновение у ленты анизотропии механических свойств, что объясняется деформацией и направленной ориентацией зерен, образующих структуру стали. Анизотропия текучести ленты в направлении прокатки и в направлении, перпендикулярном ей, препятствует равномерному натяжению корпуса круга. Уменьшить анизотропию можно совершенствованием исходной структуры стали до прокатки и применением термообработки.

Алмазосодержащий  режущий слой на внутренней кромке корпуса формируют гальваностегией. В электролотическую ванну посещают корпуса, защищенные изоляторами по всей поверхности, исключая внутреннюю кромку. Ванну заполняют электролитом и засыпают в нее алмазный порошок требуемой зернистости. При пропускании постоянного электрического тока между анодом и корпусами на внутренней кромке осаждается металлический слой, захватывающий и прикрепляющий к корпусу алмазные зерна. осаждаемый металлический слой называется связкой. Чаще всего это никель или кобальт. Толщина режущей кромки в два-три раза больше толщины корпуса.

Размер алмазных зерен, закрепленных на внутренней кромке, выбирают в зависимости от физико-механических свойств разрезаемого полупроводникового материала (таердости, хрупкости, способности  к адгезии, т. е. прилипанию к режущей  кромке). Как правило, для резки кремния целесообразно использовать алмазные зерна с размером основной фракции 40-60 мкм. Зерна должны быть достаточно прочными и иметь форму, близкую форме правильных кристаллов. 
Германий и сравнительно мягкие полупроводниковые соединения типа А3В5 
(арсенид галлия, арсенид индия,антимонид индия, фосфид галлия и др.) целесообразно резать алмазами, размер зерен основной фракции которых 28-40 мкм. Требования к прочности этих зерен не столь высоки, как при резке кремния. Монокристаллы сапфира, корунда, кварца, большинства гранатов разделяют высокопрочными кристаллическими алмазами размер зерен основной фракции которых 80-125 мкм.

В связи с  тем что диаметры слитков и  механические свойства разрезаемых  материалов разнообразны, используют круги АКВР различных типоразмеров. 
Характеристики наиболее распространенных из них приведены в табл-З.

Схему резки  полупроводникового слитка кругом АК.ВР показана на рис. 
22. Круг 1 растягивают и закрепляют на барабане 2, который приводят во вращение вокруг своей оси. Слиток 3 вводят во внутреннее отверстие круга 
АКВР на расстояние, равное сумме заданной толщины пластины и ширины пропила. После этого производят прямолинейное перемещение слитка относительно вращающегося круга в результате чего отрезается пластина.

Отрезанная пластина может падать в сборный лоток  или же удерживаться после полного  прорезания слитка на оправке 4 клеящей  мастикой 5. После сквозного прорезания слитка его отводят в исходное положение и круг выходит из образованной прорези. Затем слиток снова перемещают на заданный шаг во внутреннее отверстие круга и повторяют цикл отрезания пластины.

Обязательным  условием качественного разделения слитка на пластины является правильная установка и закрепление круга

 
Т а б л и ц. а 1. Основные технические данные алмазных отреаных кругов с внутренней режущей кромкой

[pic]

AКBP. Высокая  прочность материала корпуса  круга и его способность к  значительному вытягиванию дают  возможность натянуть круг на  барабан с достаточной жесткостью. Жесткость круга непосредственно влияет на точность и качество поверхности пластин, на стойкость круга, т. е. срок его службы, и ширину пропила. Недостаточная жесткость приводит к возникновению дефектов геометрии пластин (неплоскостности, прогиба, разброса по толщине) и увеличению ширины пропила, а чрезмерная жесткость - к быстрому выходу круга из строя из-за разрыва корпуса.

Установлено, что  для каждого типоразмера круга AКBP существует оптимальная жесткость  корпуса, при которой обеспечиваются высокие стойкость круга и  качество пластин, а также минимальная ширина пропила.

Разработано несколько  способов оценки и контроля жесткости  круга. 
Наиболее простой из них основан на измерении диаметра внутреннего отверстия круга. За счет растяжения материала корпуса круга при его установке диаметр внутреннего отверстия увеличивается на 0,5-1,0% его исходного значения. 
Измеряя увеличение диаметра внутреннего отверстия специальным индикатором и доводя его до заданного значения, добиваются требуемой жесткости круга. 
Можно оценить жесткость круга по его прогибу под действием сосредоточенной нагрузки.

Наиболее объективную  оценку жесткости позволяет произвести способ, основанный на измерении собственной  частоты колебаний натянутого корпуса. 
Изменение жесткости круга вызывает изменение его собственной частоты колебаний, что проявляется, например, при изменении высоты звука, возникающего при легком постукивании по кругу.

[pic]

Рис. 7. Схема  резки слитка кругом

АКВР:

1 - круг АКВР, 2 - барабан,

3 - слиток, 4 - оправка, 5 - клеящая мастика

Измерение собственной частоты колебаний натянутого круга осуществляют с помощью специального прибора, состоящего из бесконтактного возбудителя колебаний (электродинамического громкоговорителя), бесконтактного датчика и измерительного блока. Частота возбуждающих колебаний задается генератором низкой частоты. По максимальному показанию индикатора устанавливается момент совпадения частоты генерируемых колебаний резонансной частотой круга. Оптимальные частоты собственных колебаний кругов с корпусами толщиной 0,1 мм, изготовленных из стали марки 12Х18Н10Т, следующие: круг АКВР 206X83- 1100-1200 Гц; АКВР 305XIOO-800-850 Гц, AKBP 
422Х X 152 - 550-600 Гц.

Разрезаемый слиток закрепляют на специальной оправке, причем способ крепления зависит  от того, как извлекают из зоны обработки  отрезанные пластины. Если пластина после отрезания от слитка падает в заполненный водой сборный лоток, то слиток крепят только одним торцом к оправке. Однако такой способ приводит к бою большого количества пластин, так как довольно легкая пластина может прилипнуть к смоченному корпусу круга и разбиться при его быстром вращении. Для того чтобы исключить прилипание отрезаемой пластины, ее поддерживают вакуумной присоской, которая фиксирует ее в процессе отрезания и переносит в сборный лоток или на ленту транспортера. 
Включение и перемещение вакуумной присоски осуществляются автоматически.

Отрезанные пластины могут удерживаться на оправке клеящей  мастикой, нанесенной на образующую слитка. Достаточно толстый и широкий  слой мастики удерживает отрезанные пластины без оправки (рис. 8).

При наклеивании  торца слитка 1 на оправку обычно используют шеллак или эпоксидную смолу. Шеллак- это природное органическое вещество, имеющее пластинчатое строение. Он плавится при 75-90°С и растворяется в этиловом спирте. Оправку нагревают до температуры плавления шеллака и «аносят его тонкий слой. Затем сильно прижимают слиток к оправке, выдавливая излишки шеллака, и охлаждают. Эпокоидная смола-это синтетическое вещество, обладающее в твердом состоянии высокой механической прочностью. После смешивания эпоксидной смолы с отвердителем полученную смесь наносят на оправку, прижимают к ней слиток и помещают их в термостат. В термостате оправку со слитком выдерживают при 120-150°С в течение 1,5-2 ч, после чего охлаждают. Обычно используют эпоксидную смолу марок ЭД-16 или ЭД-20. Перед наклейкой поверхность оправки и торец слитка обезжиривают органическими растворителями и протирают.

Мастику, которую  наносят на образующую слитка для  удерживания отрезанных пластин, приготовляют из компонентов и наполнителей. 
Наполнители необходимы для того, чтобы придать сравнительно толстому слою мастики, нанесенному на слиток, достаточную механическую прочность. Если в качестве наполнителя непользуют абразивный порошок, то режущая кромка круга 
АКВР, врезаясь в мастику, подвергается правке. Наиболее часто используют мастику, содержащую 3 мас. ч. шеллака, 4 мас. ч. абразивного порошка и 2 мас. ч. эпоксидной смолы. Зернистость абразивного порошка выбирают в пределах 20-40 мкм.

Ориентацию или  поиск заданной кристаллографической плоскости монокристалла и определение положения этой плоскости относительно торца слитка производят на специальном оборудовании оптическим или рентгеновским методами.

[pic]

Рис. 8. Фиксация отрезанных Рис. 9. 
Оптический метод ориентации

пластин с помощью мастики: монокристаллов:

1 - слиток, 2 - слой  мастики, а - схема ориентации, б - световые фигуры

3 - круг АКВР , 4 - барабан на плоскостях (1 1 1) и  (1 0 0);

 
1 - слиток ориентации (1 1 1), 2 -плос-

кость торца, 3 - экран

В основу оптического  метода ориентации монокристаллов положено свойство протравленных поверхностей отражать световые лучи в строго определенном направлении. При этом отражающая плоскость всегда совпадает с кристаллографическими плоскостями типа {111}. Отклонение торца слитка от кристаллографической плоскости (111) приводит к отклонению отраженного луча на матовом экране на расстояние l (рис. 9, а), характеризующееся углом разориентации торца от плоскости (111).

Отраженный луч  образует на экране световые фигуры, форма  которых определяется конфигурацией ямок, вытравленных на торце слитка селективными травителями. Типичной световой фигурой для слитка, выращенного в направлении [111], является трехлепестковая звезда, а для слитка, выращенного в направлении [100],-четырехлепестковая звезда (рис.9,б).

§ 6. Формирование фасок на кромках пластин

Снятие фасок  с кромок полупроводниковых пластин  производят для достижения нескольких целей. Во-первых, для удаление сколов на острых кромках пластин, возникающих  при резке и шлифовании. Во-вторых, для предотвращения возможного образования сколов в процессе проведения операций, непосредственно связанных с формированием структур приборов. 
Сколы, как известно, могут служить источниками структурных дефектов в пластинах при проведении высокотемпературных обработок и лажен являться причиной разрушения пластин. В-третьих, для предотвращения образования на кромках пластин утолщения слоев технологических жидкостей (фоторезистов, лаков), которые после затвердевания нарушают плоскостность поверхности. 
Такие же утолщения на кромках пластин возникают эри нанесении на их поверхность слоев полупроводниковых материалов и диэлектриков.

Формирование  фасок производят механическим способом (шлифованием и полированием), химическим или плазмохимическим травлением. Плазмохимическое травление фасок основано на том, что острые кромки в плазме распыляются с большей скоростью, чем другие области пластин, ввиду того, что напряженность электрического поля на острых кромках существенно выше. Этим способом можно получить фаска с радиусом закругления не более 50-100 мкм. 
Химическое травление обеспечивает больший радиус фасок, однако и химическое, и плазмохимическое травление не позволяют изготовлять фаски различного профиля. Кроме того, травление является плохо управляемым и контролируемым процессом, что ограничивает его широкое промышленное применение.