Получение и механическая обработка монокристаллического кремния
1. Получение и механическая обработка монокристаллического кремния
Проведенное в предыдущем разделе рассмотрение основных характеристик кремниевых пластин позволяет провести анализ их количественных параметров, приводимых в спецификациях на пластины.
Отметим, что полная спецификация параметров кремниевых монокристаллических пластин, 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%
Рекомендуемые материалы
· 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 мкм
GBIR: ≤ 5 мкм
STIR: ≤ 0,25 мкм
SFQR: 20…30 нм
· Шероховатость поверхности (Ra) : ≤ 1 нм
Приведенные в таблице значения параметров пластин существенно различаются по сложности 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 Focal Plane (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 пластин при закреплении значения GBIR больше TTV, при этом оба этих значения не превышают нескольких микрометров.
Локальная неплоскостность определяет возможность реализации последующей микролитографии, 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 на ее 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 базовой плоскости наибольшего соответствия. Эта плоскость проводится через выступы и впадины на поверхности пластины на основе регрессионного анализа. Отметим, что SFQR обычно 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 не имеют столь большого значения, так как компенсируются прижимом пластин к плоским подложкодержателям.
Для обеспечения стабильности параметров формируемых на пластине микроструктур при изготовлении пластин необходимо обеспечить, чтобы радиальный градиент электрического сопротивления не превышал 10% .
Существенно более жесткие ограничения накладываются на содержание примеси в исходном материале кремния. Для оценки концентрации примеси наряду с числом атомов N в кубическом сантиметре (N·см-3) часто используется также параметр ppma – part per 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 углерода требует применения особых методов очистки кремния. Это же относится к концентрации металлов (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 изготовления интегральных схем, часто не превышают 1 нм и составляют 2…3 Ǻ, т.е. находятся на атомарном 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 объектом массового производства.
Совокупность всех перечисленных требований и набор весьма жестких параметров кремниевых 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 кремния
Кратко 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 составляет примерно четверть веса земной коры. Наиболее распространенным соединением кремния является 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 химически устойчив, 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 другой на 1/4 постоянной решетки а (рис. 1, б, в).
а б в
Рис. 1. Кристаллическая структура кремния
а – алмазоподобная кристаллическая решетка, б, в – расположение атомов
В лекции "1.8 Сходимость в пространстве Lp" также много полезной информации.
Параметр 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 кремния
Из-за высокого сродства кремния к кислороду на поверхности Si даже при комнатной температуре нарастает пленка SiO2 толщиной 0,005-0,01 мкм, которая пассивирует и защищает кремний от воздействия атмосферы. При высоких температурах (более 600 оС) возможно получение функциональных пленок SiO2 необходимой толщины.
Кремний устойчив к кислотам и растворяется только в смеси азотной и фтористоводородной кислот; легко растворяется в горячих растворах щелочей с выделением водорода. Кремний реагирует с фтором при комнатной температуре, с остальными галогенами - при нагревании.
