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

и опасных в работе жидких химических реактивов; они более управляемы и

легче поддаются автоматизации. Процессы сухой очистки являются наиболее

эффективными также при обработке локальных участков и рельефной

поверхности.

4.2. Способы жидкостной обработки пластин и подложек.

К способам жидкостной обработки поверхности пластин и подложек относят

физическое и химическое обезжиривание, химическое и электрохимическое

травление, промывание в воде.

4.2.1. Обезжиривание.

Физическое обезжиривание основано на отрыве молекул жира от поверхности при

ее взаимодействии с органическими растворителями. Отрыв вызывается

собственными колебаниями молекул жира и притяжением их молекулами

растворителя. Для этого пластины (подложки) погружают в резервуар (ванну) с

растворителем. После отрыва молекулы жира равномерно распределяются по

всему объему ванны, что приводит к загрязнению растворителя и обратному

процессу - адсорбции молекул жира очищенной поверхностью. Во избежание

последнего требуется постоянное освежение растворителя.

В качестве растворителей наиболее часто применяют четыреххлористый углерод,

бензол, толуол, изопропиловый спирт, фреон и др., в которых эффективно

растворяется большинство жировых загрязнений.

Определяющими параметрами процесса являются температура и время.

Растворимость жиров увеличивается с повышением температуры. Поэтому

обезжиривание осуществляют в горячих или кипящих растворителях.

Несмотря на высокую эффективность очистки в органических растворителях,

технология такого обезжиривания связана с определенными трудностями

(многократная очистка, большой расход, высокая стоимость и токсичность

большинства растворителей).

Исключительными особенностями обладает фреон, который не токсичен и

обеспечивает высокую эффективность очистки.

Химическое обезжиривание основано на разрушении молекул жира

растворителями, не воздействующими на материал пластины (подложки). Его

отличительной особенностью является отсутствие вероятности повторного

загрязнения пластин.

Для химического обезжиривания кремниевых пластин наиболее часто применяют

горячий (75-80°С) перекисно-аммиачный раствор (водный раствор смеси

пергидроля [pic] и щелочи [pic]), который удаляет все жиры. Процесс

обезжиривания сопровождается выделением атомарного кислорода в результате

разложения пергидроля (этому способствует и наличие щелочи). Атомарный

кислород окисляет как органические, так и неорганические загрязнения.

Для очистки, основанной на переводе омыляемых жиров в легко растворимые в

воде мыла` (соли), применяют обработку поверхности в мыльных растворах.

Этим способом удаляют растительные и животные жиры - загрязнения от

остатков сложных эфиров глицерина и высокомолекулярных органических кислот.

Химическое обезжиривание характеризуется низкими токсичностью и стоимостью.

4.2.2. Травление.

Процесс травления пластин и подложек состоит в растворении их поверхности

при взаимодействии с соответствующими химическими реагентами (щелочами,

кислотами, их смесями и солями). В результате удаляются приповерхностный

слой и имеющиеся на поверхности загрязнения. Различают химическое и

электрохимическое травление полупроводников.

4.2.2.1. Химическое травление пластин кремния происходит на границе твердой

и жидкой сред, и его можно рассматривать как гетерогенную реакцию.

Процесс травления состоит из пяти стадий: диффузии реагента к поверхности;

адсорбции реагента; поверхностной химической реакции; десорбции продуктов

реакции; диффузии продуктов реакции от поверхности. Скорость всего процесса

определяется скоростью наиболее медленной (контролирующей) стадии. При

Страницы: 1, 2