Modul_2_2_Poluchenie_i_mekhanicheskaya_o brabotka_m (Лекции Цветкова)

1. Получение и механическая обработка монокристаллическогокремнияПроведенное в предыдущем разделе рассмотрение основных характеристик кремниевых пластин позволяет провести анализ их количественных параметров, приводимых вспецификациях на пластины.Отметим, что полная спецификация параметров кремниевых монокристаллическихпластин, оформленная в соответствии с международными стандартами SEMI (Semiconductor Equipment and Materials International), занимает несколько страниц.Выборка наиболее существенных параметров для пластин диаметром 300 мм приведена ниже.Диаметр: 300 ± 0,2 ммОриентация: {100} ± 1ºЛегирование: Бор/ФосфорУдельное электрическое сопротивление: 1…30 Ом·смРадиальный градиент электрического сопротивления: ≤ 10%Концентрация кислорода: ≤ 30 ppmaКонцентрация углерода: ≤ 1 ppmaКонцентрация металлов на поверхности: ≤ 1·1010 см-2Количество частиц на поверхности (0,2мкм): ≤ 30Количество частиц на поверхности (0,12…0,16 мкм): ≤ 50Толщина: 775 ± 25 мкмКоробление/прогиб: ≤ 40 мкмНеплоскостность:TTV : ≤ 2 мкмGBIR: ≤ 5 мкмSTIR: ≤ 0,25 мкмSFQR: 20…30 нмШероховатость поверхности (Ra) : ≤ 1 нмПриведенные в таблице значения параметров пластин существенно различаются посложности их реализации в технологическом процессе.Так, допуск на диаметр пластин, необходимый для обеспечения работы систем загрузки, транспортировки, ориентации и базирования пластин, составляет доли миллиметра.В то же время допуск на толщину пластин не превышает 25 мкм.При этом для оценки плоскостности пластин используется несколько параметров.Плоскостность всей поверхности пластины (Global Flatness) характеризуется показателями TTV (общее изменение толщины пластины) и GBIR - (G)lobal (B)ackside (I)deal FocalPlane (R)ange (общий диапазон изменений относительно идеальной задней поверхности).В идеальном случае эти параметры должны быть одинаковы, однако из-за неплоскостности опорных поверхностей подложкодержателей и остаточных прогибов пластинпри закреплении значения GBIR больше TTV, при этом оба этих значения не превышаютнескольких микрометров.Локальная неплоскостность определяет возможность реализации последующеймикролитографии, поэтому значения параметров STIR и SFQR значительно меньше и составляют доли микрометра.Здесь STIR (Site Total Indicated Reading) описывает, аналогично TIR , максимальные отклонения поверхности элементов пластины вверх и вниз от базовой плоскости наее отдельных участках.В свою очередь SFQR – (S)ite (F)rontside Least S(Q)uares Focal Plane (R)ange –оценивает диапазон отклонения элементов участка поверхности от передней базовойплоскости наибольшего соответствия.

Эта плоскость проводится через выступы и впадины на поверхности пластины на основе регрессионного анализа. Отметим, что SFQRобычно определятся на участке с размерами 26х8 мм, соответствующем размерам рабочего поля современных сканирующих степперов для микролитографии.Значения прогибов и короблений важны на этапах изготовления пластин для оценки качества этих технологических процессов, однако на этапах микролитографии они неимеют столь большого значения, так как компенсируются прижимом пластин к плоскимподложкодержателям.Для обеспечения стабильности параметров формируемых на пластине микроструктур при изготовлении пластин необходимо обеспечить, чтобы радиальный градиентэлектрического сопротивления не превышал 10% .Существенно более жесткие ограничения накладываются на содержание примеси висходном материале кремния.

Для оценки концентрации примеси наряду с числом атомов N в кубическом сантиметре (N·см-3) часто используется также параметр ppma – partper million atoms. 1 ppma означает, что на 106 атомов кремния приходится 1 атом примеси.Поскольку в 1 см3 кремния содержится 5·1022 атомов, 1 ppma соответствует концентрации примеси 5·1016 см-3.Обеспечение задаваемых значений ppma для кислорода и, особенно, для углеродатребует применения особых методов очистки кремния. Это же относится к концентрацииметаллов (примеси Al, Cr, Cu, Fe, Ni, Zn, Ca, K, Na существенно снижают время жизни носителей тока в монокристаллах кремния) и количеству микрочастиц на поверхности пластин.И, наконец, параметр, характеризующий шероховатость поверхности пластин(Roughness).

Значения этого параметра для пластин, предназначенных для изготовленияинтегральных схем, часто не превышают 1 нм и составляют 2…3 Ǻ, т.е. находятся наатомарном уровне.Завершая количественный анализ требований к кремниевым пластинам, напомним,что они выполнены из монокристаллического сверхвысокочистого кремния, на их рабочих поверхностях не должно быть нарушенного слоя и при этом они являются объектоммассового производства.Совокупность всех перечисленных требований и набор весьма жестких параметровкремниевых пластин обусловили многоэтапность их производства и применение широкого спектра физико-химических и механических методов обработки.Производство кремниевых пластин включает следующие стадии: получение монокристаллического кремния, механическая и химико-механическая обработка кремниевых слитков и пластин.Получение монокристаллического кремнияКратко напомним основные свойства кремния, необходимые для этого и последующих разделов.Кремний – элемент IV группы периодической системы с атомным номером 14.

После кислорода кремний – самый распространенный элемент в природе. Он составляетпримерно четверть веса земной коры. Наиболее распространенным соединением кремнияявляется диоксид кремния SiO2, который встречается главным образом в виде минерала –кварца. В свободном состоянии кремний в природе не встречается.Кристаллический кремний – темно-серое вещество, твердое и хрупкое с металлическим блеском, химически довольно инертное.

При комнатной температуре химическиустойчив, в воде не растворим.Плотность твердого кремния при комнатной температуре – 2.32 (г/см3), жидкого(при температуре плавления) – 2.53 (г/см3). Температура плавления кремния 1420 °С, кипит кремний при температуре 2477 °С.В кремнии каждый атом образует 4 валентные связи с ближайшими соседями, в результате чего получается кристаллическая решётка типа алмаза (рис. 1, а).

Решетка кремния состоит из двух гранецентрированных решеток, сдвинутых одна относительно другойна 1/4 постоянной решетки а (рис. 1, б, в).абвРис. 1. Кристаллическая структура кремнияа – алмазоподобная кристаллическая решетка, б, в – расположение атомовПараметр решетки а = 0.54 нм, кратчайшее расстояние между атомами - 0.23 нм.Легирующие атомы замещают атомы кремния, занимая их место в кристаллической решетке.

Основными легирующими атомами являются фосфор (5-ти валентный донор замещения) и бор (3-х валентный акцептор замещения).Все кристаллические вещества обладают анизотропностью, т.е. свойства кристаллов различны для разных кристаллографических плоскостей. Для задания нужных плоскостей используют индексы Миллера. Наиболее важные плоскости кремниевой кристаллической решетки, обозначенные индексами Миллера, показаны на рис. 2.Рис.

2. Кристаллографические плоскости кремнияИз-за высокого сродства кремния к кислороду на поверхности Si даже прикомнатной температуре нарастает пленка SiO2 толщиной 0,005-0,01 мкм, котораяпассивирует и защищает кремний от воздействия атмосферы. При высоких температурах(более 600 оС) возможно получение функциональных пленок SiO2 необходимойтолщины.Кремний устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной ифтористоводородной кислот; легко растворяется в горячих растворах щелочей свыделением водорода.

Кремний реагирует с фтором при комнатной температуре, состальными галогенами - при нагревании.2.1. Этапы производства кремнияТехнология получения монокристаллов полупроводникового кремния включаетследующие основные этапы:получение технического (металлургического) кремния,превращение технического кремния в газообразное соединение, его очистка,получение поликристаллического кремния методом водородного восстановления,выращивание монокристаллов.Получение технического кремнияПроизводственная цепочка получения кремния начинается с диоксида кремния(кремнезема) SiO2.

Кремнезем широко распространен в природе в виде песка, кварца иглины.Восстановление кремния из SiO2 ведется карботермическим процессом за счетвзаимодействия диоксида кремния с углеродом при температуре около 1800°С.SiO2 (тв) + 2C (тв) = Si (тв) + 2CO (газ)Исходное сырье вносится в состав шихты в виде кварцита – кварцевого песка, содержащего не менее 98% SiO2.Углерод получается из древесного угля, кокса, сажи, древесной щепы.Процесс ведется в дуговых электропечах огромной мощности - от 8 до 25 МегаВольт-Ампер (МВА).