MODUL_2_1_Kremnievye_plastiny_kak_obekt_ proi (Лекции Цветкова)

МОДУЛЬ 2ИЗГОТОВЛЕНИЕ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ КРЕМНИЕВЫХ ПОДЛОЖЕКТехнологическими заготовками для большинства изделий микроэлектроники иМЭМС являются кремниевые пластины (подложки). На поверхности пластины формируются активные микроструктуры, при этом сама пластина выполняют еще и роль несущей основы при выполнении многочисленных операций групповой обработки.Ежегодно в мире изготавливается более 150 миллионов таких пластин разных размеров для удовлетворения нужд только полупроводникового производства. Массовое по объему, производство кремниевых пластин сосредоточено преимущественно на ограниченномчисле фирм-производителей.Это объясняется тем, что кремниевые пластины должны удовлетворять комплексувесьма жестких, часто беспрецедентных требований к широкому спектру параметров. Реализация этих требований превращает производство кремниевых пластин в сложный, наукоемкий процесс, требующий вложения значительных ресурсов.При этом постоянно растущая мировая потребность в таких изделиях делает их производство весьма перспективным и рентабельным с годовой прибылью более 7 миллиардовдолларов.1.

Кремниевые пластины как объект производстваВнешне кремниевые монокристаллические пластины выглядят как тонкие дискитемно серого цвета, у которых по крайней мере одна сторона отполирована до зеркальногоблеска (рис. 2.1, а ). В зависимости от вида производства могут использоваться подложкиразличного диаметра - от 75 до 300 (450) мм (рис. 2.1, б), в лабораторных условиях могутприменяться пластины диаметром 25, 50 мм.Рис. 2.1. Кремниевые монокристаллические пластиныа – полированная кремниевая пластина, б – сравнение пластин диаметром 300 и 400 мм.Несмотря на внешнюю простоту, кремниевые пластины как объект производства являются уникальными изделиями. Достаточно сказать, что список технических требований,предъявляемых к пластинам на основе международных стандартов, разработанных SEMI(Semiconductor Equipment and Materials Institute), содержит более 20 параметров. Для ихконтроля разработаны и повсеместно используются американские стандарты ASTM (American Society for Testing and Materials).Прежде всего, как следует из технологического анализа изделий микротехнологии,пластины должны иметь монокристаллическую структуру, а их верхняя, рабочая поверхность должна быть свободной от дефектов, т.е.

не иметь нарушенного слоя.Кроме того, весьма жесткие технические требования предъявляются к электрическим,механическим, химическим параметрам кремниевых монокристаллических пластин, а такжек параметрам их поверхности.2.1. Электрические параметрыПластины могут иметь p- или n-тип проводимости, определяемый использованным легирующим элементом:p-тип: B – бор,n-тип: Р – фосфор, Sb – сурьма, As – мышьяк.Степень легирования определяет удельное электрическое сопротивление пластин,обычно измеряемое в Ом·см (рис. 2.2., табл.2.1).Рис.

2.2. Зависимость удельного сопротивления кремния от концентрации легирующихпримесейКак следует из рис. 2.1 и таблицы 2.1, при увеличении концентрации примеси (повышении степени легировании) сопротивление кремния уменьшается.Таблица 2.1.Уровни легирования кремнияУровень легированияОбозначениеОчень слабо легированныйn , pn, pn, pn +, p +n++, p++Слабо легированныйСредне легированныйСильно легированныйОчень сильно легированный----Концентрацияпримеси, см-3Удельное электрическоесопротивление, Ом·смnp<1014>100>301-1000,030,01-0,030,3-300,02-0,30,005-0,020,001-0,010,005141610 -10161810 -101018-10191019Важным параметром является также радиальное изменение удельного сопротивленияот среднего значения по пластине, определяющее разброс параметров формируемых на нейструктур.Для измерения, как удельного электрического сопротивления, так и его радиальногоградиента, используется 4-х зондовый метод.

В последнем случае измерения в соответствиисо стандартом ASTM F81проводятся в пяти точках на пластине (рис. 2.3).Рис. 2.3. Расположение контрольных точек при измерении радиального градиента электрического сопротивленияЗначение Р1 в центре принимается за удельное электрическое сопротивление, а егоградиент (RRG - Resistivity Radial Gradient) в процентах вычисляется по формуле:RRG ( P2  P3  P4  P5 ) / 4  P1 100% .P12.2.Геометрические параметрыВ эту группу параметров входят размеры пластин (диаметр, толщина) и допуски наних, а также отклонения формы пластин – прогиб, коробление, неплоскостность и ряд других.Диаметр кремниевых пластин постоянно увеличивается (рис. 2.4, а), позволяя размещать на рабочем поле все большее количество кристаллов.Приближенно количество кристаллов ND, которые помещаются на пластине заданногодиаметра (рис 2.4, б), можно определить по формуле:ND б  ( DW 2)2SD  DW2  SDбРис.

2.4. Взаимосвязь размеров пластин и кристаллова - диапазон диаметров кремниевых пластин, б - к расчету числа кристаллов на пластинеПервая составляющая формулы – это отношение площади пластины (Wafer) с диаметром DW к площади кристалла SD (Die).Вторая составляющая оценивает количество кристаллов, не поместившихся полностью на круглой пластине. На рис. 2.5 справа выделен кристалл, у которого лишь малаячасть отрезана окружностью пластины, а слева – кристалл, практически весь не поместившийся в контуре окружности. В среднем можно допустить, что кристаллы обрезаютсяокружностью пластины по их диагоналям, которые для квадратных кристаллов равны2  SD .Деление длины окружности на диагональ кристалла дает примерное значение обрезанных кристаллов.По приведенной формуле легко рассчитать, что, например, увеличение диаметра пластин с 200 до 300 мм увеличивает количество кристаллов практически в 2,5 раза.Кроме того, при постоянном увеличении размеров самих кристаллов их размещениена пластинах больших диаметров повышает эффективность производства.Следует при этом учитывать, что перевод производства на новый размер пластин влечет за собой радикальную модернизацию оснастки, а чаще всего – переход на новые комплексы оборудования.Это требует огромных капитальных вложений.

Так, для перевода производства пластин с 200 мм на 300 мм в период с 1996 по 2003 год было затрачено около 12 миллиардовдолларов, переход на 450 мм пластины потребует вложений более 20 миллиардов долларов.При этом микроэлектронное производство на основе 300 мм пластин может бытьрентабельно при минимальном объеме обработки 80000 пластин в месяц. Для 450 мм пластин это значение составляет уже 150000 пластин в месяц.По этой причине множество мелких и средних производителей микроэлектроники иМЭМС используют пластины меньших диаметров (75-150 мм), экономя на приобретениинового, высокопроизводительного и, соответственно, очень дорогого технологического оборудования.Допуск на диаметр пластин важен при ориентации и базировании пластин на рядетехнологических операций, его величина составляет ±(0,1-0,2 мм).Базовые срезы на кремниевой пластине (основной и дополнительный) служат длядентификации ее кристаллографической ориентации и типа проводимости (рис.

2.5). Онитакже могут использоваться для ориентации и базирования пластины в технологическойоснастке (2.6, а).Рис. 2.5. Базовые и дополнительные срезы на кремниевых пластинахБазовые и дополнительные срезы используются на пластинах диаметром до 150 ммвключительно. Начиная с пластин диаметром 200 мм, взамен базового среза используют вырез (notch) треугольной формы (рис.

2.6, б).абвРис. 2.6. Схемы базирования и ориентации кремниевых пластина – по базовому срезу, б - по треугольному вырезу, в – взаимодействие выреза и базирующего штифтаВырезы, также как базовые срезы, используются для ориентации и базирования пластин(рис. 2.6, в), однако они уже не могут идентифицировать тип проводимости и кристаллографическую ориентацию пластин.Толщина пластин, на первый взгляд, кажется непропорционально малой по сравнению с их диаметрами. Однако напомним (см. модуль 1), что активные микроструктурыформируются в приповерхностном слое толщиной всего 6-10 мкм, который составляет 1-2 %от обшей толщины пластины. Поэтому значения толщины пластин в диапазоне 380-800 (925)мкм можно считать компромиссом между требованиями к жесткости и прочности подложкии стоимостью монокристаллического кремния.Толщина пластины обычно измеряется в ее центре.

При выполнении серии измеренийв нескольких точках можно определить общее изменение толщины пластины (TotalThickness Variation - TTV), которое равно разнице между максимальным (tmax) и минимальным (tmin) значениями измеренной толщины:TTV = tmax – tminДля описания отклонений формы пластин используется ряд параметров (табл. 2.2).Деформации пластины в свободном состоянии – прогиб и коробление - определяютсякак исходным качеством изготовления пластины, так и воздействием на нее высокотемпературных операций нанесения функциональных слоев и легирования.В отличие от прогиба (Bow), измеряемого только в центре пластины, коробление(Warp) оценивает деформации всей срединной поверхности и учитывает максимальные(RPDmax - Reference Plane Deviation) и минимальные (RPDmin)отклонения срединной поверхности вверх и вниз от базовой плоскости:Warp = RPDmax – RPDminТаблица 2.2.ПараметрПрогибBowПараметры деформации пластинОпределениеОтклонение центральнойточки срединной поверхности пластины всвободном состоянии отбазовой поверхностиОбщее изменение толщиныTotal ThicknessVariation (TTV)Разность максимальногои минимального отклонений срединной поверхности пластины всвободном состоянии отбазовой поверхностиРазность между максимальным и минимальным значениями толщины пластиныПолное измеренное показаниеTotal IndicatedReading (TIR)Максимальные отклонения поверхности пластины вверх и вниз от базовой (фокальной) плоскости.КороблениеWarpЭскизВажнейшим параметром пластин является плоскостность.