Механическая обработка кремниевых пластин

Сентябрь 2, 2022

Главная
Алгебра
Механическая обработка кремниевых пластин

Содержание

2. Структуру нарушенного слоя полупроводниковой пластины Структура нарушенного при механической обработке поверхностного слоя: 1 - рельефный слой;
3. Виды поверхностных загрязнений
4. Очистка поверхности пластин после механической обработки Очистка поверхности начинается с обработки пластин в органических растворителях. Как
7. Химическое травление кремния Доставка реагента из объема раствора к поверхности пластины Химическое взаимодействие реагента с поверхностью
8. Доставка молекул из объема травителя к поверхности пластины При однородном распределении травителя в растворе в t0
10. Варианты травителей Полирующие травители Травитель для ХДП Селективный травитель HF:HNO3 = 1:10; HF:HNO3 = 1:3; HF:HNO3:CH3COOH
11. Анизотропное травление Селективный травитель называется анизотропным, когда скорость травления кремния в определенном кристаллографическом направлении во много
12. Травление окисла и нитрида кремния
13. Очистка пластин в растворах на основе перекиси водорода
15. Производство фотошаблонов: Допустимый дрейф температуры помещения в той же зоне: 0.1 ºС / неделя Номинальное значение
16. Чистая комната предназначена для защиты от загрязнений следующих типов: Неорганических • Минеральные частицы • Металлические частицы
17. - производственные помещения разделены на чистую рабочую зону и зону технического обслуживания оборудования, при этом рабочие
18. Чистым помещением или чистой комнатой называется помещение, в котором счетная концентрация взвешенных в воздухе частиц и
19. Класс чистоты (cleanroom class) –характеристика степени запыленности чистого помещения и чистого рабочего места. Обычно используются американский
20. Классификация чистых помещений По различным стандартам По ГОСТ ИСО 14644-1
21. Чистая комната - это сложное техническое помещение, в котором концентрация частиц загрязняющих веществ поддерживается в определенных
24. Концепции контроля и разделения В силу экономических, технических и эксплуатационных факторов технологическое ядро во многих случаях
25. Примеры потоков воздуха в чистых помещениях а - однонаправленный поток воздуха; b - неоднонаправленный поток воздуха;
26. Влияние персонала и объекта на однонаправленный поток воздуха Чтобы избежать значительной турбулентности вблизи чувствительной к загрязнениям
27. План чистой комнаты
28. Функциональное назначение пленок термического SiO2 в ИС
33. Физический механизм роста окисла при высокой температуре Высокотемпературный процесс окисления кремния рассматривается обычно состоящим из двух
35. Толщина пленки SiO2, равная x, поглощает слой кремния толщиной 0,44 x. Таким образом, можно считать, что
37. По современным представлениям структура аморфного окисла кремния - кварцевого стекла - это разупорядоченная трехмерная сетка состоящих
38. Структура двуокиси кремния (двумерная модель) Угол Si-O-Si равен 143±17°. Тетраэдры в кварцевом стекле и кристаллическом кварце
39. Только 43% объема занята молекулами окисла. Остальной объем может быть занят молекулами различных примесей, например натрием,
40. Стеклообразующие элементы в кварцевом стекле могут заменять кремний при построении решетки. Важными стеклообразующими примесями являются бор,
41. Модель Дила - Гроува
43. В условиях установившегося равновесия (поток F = F1 = F2 = F3) решается дифференциальное уравнение для
49. Влияние температуры окисления
50. Влияние ориентации подложки
52. Влияние типа и концентрации примеси в подложке В зависимости от величины коэффициента сегрегации, определяемого как отношение
54. Влияние парциального давления окислителя
55. Маскирующие свойства
56. Оборудование для окисления
57. Обычно для получения воспроизводимых по свойствам пленок в реакторах атмосферного давления подбирают соответствующие температурно-временные условия. Однако
58. Свойства пленок SiO2
59. Методы Контроля Параметров Диэлектрических Слоев Основные параметры слоя SiО2, учитываемые при проектировании ИС: плотность коэффициент преломления
60. Контроль толщины Метод цветовых оттенков Ньютона основан на наблюдении интерференционных цветов в отраженном свете, возникновение которых
62. Интерферометрия Сущность метода заключается в измерении высоты "ступеньки" после стравливания пленки диэлектрика с части пластины. При
63. Эллипсометрический метод После отражения от верхней и нижней границ раздела изменяются амплитуды перпендикулярной и параллельной составляющих
64. Профилометр
66. Контроль заряда на границе раздела полупроводник – диэлектрик
67. метод вольт-фарадных характеристик
69. Скачать презентацию

Слайд 2

Структуру нарушенного слоя полупроводниковой пластины
Структура нарушенного при механической обработке поверхностного

слоя: 1 - рельефный слой; 2 - микротрещины; 3 - область скопления дислокаций; 4 - монокристалл
В нарушенном слое, кроме структурных, возможно образование и концентрационных неоднородностей, которые связаны с сегрегацией примесей на дислокациях, что может изменять электрофизические свойства материала, влияя на электрические параметры элементов микросхем.

Слайд 3

Виды поверхностных загрязнений

Слайд 4

Очистка поверхности пластин после механической обработки
Очистка поверхности начинается с обработки пластин в

органических растворителях. Как правило, нельзя ограничиться каким-либо одним из них, следует использовать последовательно несколько растворителей. При их выборе важно учитывать, что:
1) растворитель не должен реагировать с материалом подложки;
2) каждый последующий растворитель должен растворять предыдущий;
3) все растворители должны быть высокой степени чистоты.
Для очистки поверхности используются следующие растворители: трихлорэтилен (CHCl=CCl2), толуол (CH3C6H5), ацетон (CH3COCH3), четыреххлористый углерод (CCl4), этиловый спирт (C2H5OH) и др.
Наиболее эффективны кипячение в реактиве и очистка в потоке реактива.
Скорость растворения органических загрязнений увеличивается более чем на порядок величины, если растворитель нагревается от комнатной температуры до 70 °С. Нагрев до более высоких температур может приводить к деструкции, разрушению растворителя, которое сопровождается выделением продуктов разложения, часто являющихся отравляющими веществами (например, фосген выделяется при деструкции трихлорэтилена).
Применение щеток и кистей увеличивает степень очистки поверхности от загрязнений, однако при этом возможны механические повреждения поверхности в виде царапин и сколов.
Эффективна очистка с помощью ультразвука. В этом случае пластины помещаются в ванну с растворителем, укрепленную на сердечнике магнитостриктора. При воздействии ультразвука в растворе образуются кавитационные пузырьки растворителя, которые с силой ударяют о поверхность пластин, удаляя загрязнения. Однако при ультразвуковой очистке пластины часто крошатся, особенно по краям.
Важнейшим требованием к растворителям является высокая степень их чистоты. Наличие в них малейших следов растворенных жиров и других примесей приводит к загрязнению поверхности пластин и снижению качества очистки.

Слайд 5

Слайд 6

Слайд 7

Химическое травление кремния
Доставка реагента из объема раствора к поверхности пластины
Химическое взаимодействие

реагента с поверхностью
Десорбция продуктов реакции и их удаление в объем раствора

Слайд 8

Доставка молекул из объема травителя к поверхности пластины
При однородном распределении

травителя в растворе в t0
При равновесии скоростей диффузии реагента и химической реакции
Результирующая скорость реакции травления

vд = kд(C – C′)
vр = kр C exp (–E/kТ)
kд(C – C′) = kр C exp(–E/kТ)

Слайд 9

Слайд 10

Варианты травителей
Полирующие травители
Травитель для ХДП
Селективный травитель
HF:HNO3 = 1:10;
HF:HNO3 = 1:3;
HF:HNO3:CH3COOH =

1:3:1
HNO3:HF:CH3COOH = 8:5:5.
HF:HNO3:CH3COOH = 1:3:(8 - 12) (Травитель Деша)

Слайд 11

Анизотропное травление
Селективный травитель называется анизотропным, когда скорость травления кремния в определенном

кристаллографическом направлении во много раз превышает скорость в других направлениях.
Один из вариантов состава таких травителей следующиий (мол.%): этилендиамин (NH2(CH2)NH2) (35,1) + пирокатехин (C6H4(OH)2) (3,7) + вода (61,2)
Также широко используется 5 - 30%-ный водный раствор щелочи KOH или NaOH
Соотношение скоростей травления для основных плоскостей кремния в этилендиаминовом травителе такое: (111):(110):(100) = = 3:30:50 мкм/ч

Слайд 12

Травление окисла и нитрида кремния

Слайд 13

Очистка пластин в растворах на основе перекиси водорода

Слайд 14

Слайд 15

Производство фотошаблонов:
Допустимый дрейф температуры помещения
в той же зоне: 0.1 ºС /

неделя
Номинальное значение температуры
в той зоне 18 ÷ 23 ºС
Относительная влажность 35 ÷ 45% ± 0.1%/ час
Класс чистоты помещения 100
в зоне установки основного оборудования
(по стандарту F209E)Класс чистоты на операциях монтажа < 1
пелликлов

Слайд 16

Чистая комната предназначена для защиты от загрязнений следующих типов:
Неорганических
• Минеральные

частицы
• Металлические частицы
Химических
• Производные углеводорода
• Органические составы
Микробиологических
• Бактерии
• Вирусы
• Споры
• Грибки
• Клещи
• Пыльца

Для чего нужна «чистая комната»?

Слайд 17

- производственные помещения разделены на чистую рабочую зону и зону технического

обслуживания оборудования, при этом рабочие столы и оборудование устанавливаются так, чтобы линия разделения воздушного потока находилась на расстоянии, примерно равном 2/3 ширины технологической зоны. В противном случае основная масса загрязнений от рук оператора распределяется по всей поверхности стола;
- конструкция ЧПП должна быть прочной, герметичной, удобной при монтаже, эксплуатации и уборке, по возможности недорогой, обеспечивать необходимый воздухообмен, обладать теплоизолирующими свойствами и гибкостью к перепланировке;

Слайд 18

Чистым помещением или чистой комнатой называется помещение, в котором счетная концентрация

взвешенных в воздухе частиц и число микроорганизмов в воздухе поддерживаются в определенных пределах.
Под частицей понимается твердый, жидкий или многофазный объект или микроорганизм с размерами от 0.005 до 100 мкм. Важной характеристикой чистого помещения является его класс. Класс чистого помещения характеризуется классификационным числом, определяющим максимально допустимую счетную концентрацию аэрозольных частиц определенных размеров в 1 м3 воздуха.
Чистые помещения можно условно разбить на две большие группы:
- с однонаправленным потоком воздуха (поток воздуха с постоянной скоростью и примерно параллельными линиями тока по всему поперечному сечению чистой зоны);
с неоднонаправленным потоком воздуха.
Состояния чистого помещения:
а) построенное, когда чистое помещение построено и действует, но технологическое оборудование не установлено или установлено, но не работает, а материалы и персонал отсутствует;
б) оснащенное, когда чистое помещение построено и действует, технологическое оборудование установлено и отлажено, а персонал отсутствует;
в) эксплуатируемое, когда чистое помещение функционирует в соответствии с заданными требованиями и с установленной численностью персонала, работающего в соответствии с документацией.

Слайд 19

Класс чистоты (cleanroom class) –характеристика степени запыленности чистого помещения и чистого

рабочего места.
Обычно используются американский стандарт FS209 и международный стандарт ISO14644-1 (Серия стандартов по системному менеджменту качества разработана Техническим комитетом ТК 176 Международной Организации по Стандартизации (ISO, International Organization for Standardization). .
В федеральном стандарте США FS209E концентрация частиц в воздухе выражена в метрических единицах, т.е. в числе частиц в м3, а класс в системе СИ определяется как десятичный логарифм концентрации частиц размером ≥ 0,5 мкм в1 м3 воздуха. В английском варианте предыдущих версий стандарта класс чистоты определяется по количеству частиц размером ≥ 0,5 мкм в 1 фут3 воздуха.
Классификация ISO14644-1 основана на уравнении:
Cn=10N(0,1/d)2,08
Cn – максимально допустимая концентрация частиц рассматриваемого размера (d), Cn – округляется до ближайшего целого числа с использованием не более трех значащих цифр. N – класс по ISO, не превышающий 9; допускаются промежуточные классы с минимальным интервалом 0,1N. 0,1 - постоянный параметр с размерностью в мкм.
Классификация ISO гармонизирована с классификацией FS209E так, что класс 3 по ISO соответствует классу 1 или М 1,5 по FS209E , класс 4 по ISO соответствует классу 10 или М 2,5 по FS209E , класс 5 по ISO соответствует классу 100 или М 3,5 по FS209E и .т.д.

Слайд 20

Классификация чистых помещений
По различным стандартам
По ГОСТ ИСО 14644-1

Слайд 21

Чистая комната - это сложное техническое помещение, в
котором концентрация частиц загрязняющих

веществ
поддерживается в определенных пределах в соответствии с
требованиями стандартов производства различных продуктов.
Это помещение, в котором контролируется счетная концентрация
аэрозольных частиц, построенное и используемое так, чтобы
свести к минимуму поступление, генерацию и накопление частиц
внутри помещения, и позволяющее, при необходимости,
контролировать другие параметры, такие как, температура,
влажность и давление.

Слайд 22

Слайд 23

Слайд 24

Концепции контроля и разделения
В силу экономических, технических и эксплуатационных факторов технологическое

ядро во многих случаях окружают зоны с меньшим классом чистоты. Это позволяет уменьшить до минимума размер зоны с высоким классом чистоты.

Слайд 25

Примеры потоков воздуха в чистых помещениях
а - однонаправленный поток воздуха;
b

- неоднонаправленный поток воздуха;
с - смешанный поток воздуха; 1 - приточный воздух;
2 - вытяжной воздух

В чистом помещении применяются однонаправленные и неоднонаправленные потоки воздуха. Комбинация двух потоков дает смешанный поток. В чистых помещениях классов 1-5 ИСО, как правило, применяются однонаправленные потоки воздуха, а для помещений классов 6-9 ИСО - неоднонаправленные.

Слайд 26

Влияние персонала и объекта на однонаправленный поток воздуха
Чтобы избежать значительной турбулентности

вблизи чувствительной к загрязнениям зоны в чистых помещениях с однонаправленным потоком воздуха, необходимо учитывать основные аэродинамические требования, характер физических препятствий потоку воздуха (технологическое оборудование), выполняемые операции, движения персонала и перемещение продукта.

а - за счет лучшего расположения оборудования;
b - за счет лучшей формы оборудования и рабочего места;
с - за счет правильного поведения персонала;
d - за счет специальной организации потоков воздуха;
1 - источник тепла; 2 - локальный поток с повышенной скоростью

Слайд 27

План чистой комнаты

Слайд 28

Функциональное назначение пленок термического SiO2 в ИС

Слайд 29

Слайд 30

Слайд 31

Слайд 32

Слайд 33

Физический механизм роста окисла при высокой температуре
Высокотемпературный процесс окисления кремния рассматривается обычно

состоящим из двух этапов: диффузии окисляющих частиц через растущий окисел и их химического взаимодействия с кремнием на границе раздела двух фаз Si - SiO2. Диффундирующими частицами в случае окисления в сухом кислороде считаются либо молекулы кислорода O2, либо атомы кислорода.
При окислении в парах воды окисляющими частицами могут быть молекулы воды H2О, а также ионные пары H3O+ и OH–

Слайд 34

Слайд 35

Толщина пленки SiO2, равная x, поглощает слой кремния толщиной 0,44 x.

Таким образом, можно считать, что толщина окисла примерно в два раза больше толщины поглощенного им кремния.

Слайд 36

Слайд 37

По современным представлениям структура аморфного окисла кремния - кварцевого стекла -

это разупорядоченная трехмерная сетка состоящих из кремния и кислорода тетраэдров, которые соприкасаются только своими вершинами, но не ребрами или гранями.
Каждый атом кремния в сетке является центром тетраэдра, в вершинах которого расположены четыре атома кислорода. Каждый такой атом кислорода связан с двумя атомами кремния.

Слайд 38

Структура двуокиси кремния (двумерная модель)
Угол Si-O-Si равен 143±17°. Тетраэдры в кварцевом

стекле и кристаллическом кварце подобны, но в стекле они образуют неупорядоченную сетку, а в кристаллическом кварце - правильную решетку

Слайд 39

Только 43% объема занята молекулами окисла. Остальной объем может быть занят

молекулами различных примесей, например натрием, который может довольно быстро диффундировать сквозь окисел.

Кварц

Аморфный окисел

Слайд 40

Стеклообразующие элементы в кварцевом стекле могут заменять кремний при построении решетки.

Важными стеклообразующими примесями являются бор, фосфор и алюминий. Их валентность отличается от валентности кремния. Например, бор имеет валентность три и в B2O3 окружен только тремя кислородными атомами.
Катионы-модификаторы (такие, как натрий, калий, свинец, и др.) в решетке кварцевого стекла играют роль примесей внедрения. В этой группе может оказаться также и алюминий. При введении модификаторов в форме окислов они ионизируются и отдают кислород в решетку. Металлический атом занимает междоузельное положение в решетке, а кислородный атом входит в решетку и образует два немостиковых атома там, где раньше был один мостиковый кислород

Слайд 41

Модель Дила - Гроува

Слайд 42

Слайд 43

В условиях установившегося равновесия (поток F = F1 = F2 =

F3) решается дифференциальное уравнение для скорости окисления:
(2.1)
где N - число частиц окислителя, необходимое для создания единицы объема окисла.

Слайд 44

Слайд 45

Слайд 46

Слайд 47

Слайд 48

Слайд 49

Влияние температуры окисления

Слайд 50

Влияние ориентации подложки

Слайд 51

Слайд 52

Влияние типа и концентрации примеси в подложке
В зависимости от величины коэффициента

сегрегации, определяемого как отношение равновесных концентраций примеси при данной температуре в кремнии и окисле
k=Csi/Csio2
примесь будет либо оттесняться в кремний (k > 1), либо накапливаться в окисле (k < 1). Известно, что для бора k ≈ 0,3, а для доноров (фосфора и мышьяка) k ≈ 10

Слайд 53

Слайд 54

Влияние парциального давления окислителя

Слайд 55

Маскирующие свойства

Слайд 56

Оборудование для окисления

Слайд 57

Обычно для получения воспроизводимых по свойствам пленок в реакторах атмосферного давления

подбирают соответствующие температурно-временные условия. Однако необходимо учитывать, что для пассивирования ионов натрия хлором, вводимым в пленку в процессе окисления, требуются достаточно высокие температуры окисления. Плотность окисла и концентрация дефектов в кремнии также определяются температурой. Часто применяется двухстадийный процесс сухого окисления кремния, состоящий из окисления с добавлением HCl при средних температурах (около 1000 ºС), с последующей термообработкой в атмосфере O2, N2 и HCl при температуре 1150 ºС.
Для получения высокооднородных пленок SiO2 с воспроизводимыми свойствами используют также реакторы пониженного давления (РПД реакторы). Окисление, проводимое в РПД, позволяет синтезировать тонкие слои SiO2 с точностью до нескольких ангстрем. Температура окисления T = 900 - 1000 ºС, давление P = 30 - 300 Па.. Толщина синтезируемых в РПД пленок составляет 2 - 14 нм.
Еще одним способом, используемым для производства тонких пленок SiO2, является их получение во влажной атмосфере, но при пониженной температуре (T = 750 ºС) и атмосферном давлении (P = 1 МПа).
Толстые окисные пленки получают, как правило, во влажной атмосфере при повышенном давлении. По своим свойствам они более пористые, имеют меньшие значения напряженности пробоя. Такие пленки используются в биполярной технологии для создания окисной изоляции и в МОП технологии - для выращивания толстых изолирующих слоев. Верхний предел по толщине для термического окисления составляет 1-2 мкм. Пленку такой толщины получают при давлении 2*106 Па при окислении в парах воды и температуре 900 ºС в течение 1 - 2 часов.

Слайд 58

Свойства пленок SiO2

Слайд 59

Методы Контроля Параметров Диэлектрических Слоев
Основные параметры слоя SiО2, учитываемые при

проектировании ИС:
плотность
коэффициент преломления
удельное сопротивление
диэлектрическую постоянную
диэлектрическую прочность
скорость травления
В производстве контролируют:
скорость травления
толщину
плотность дефектов
заряд в структуре кремний - диэлектрик.

Слайд 60

Контроль толщины
Метод цветовых оттенков Ньютона
основан на наблюдении интерференционных цветов в отраженном

свете, возникновение которых обусловлено двойным отражением и преломлением белого света, проходящего через прозрачную пленку и отражающегося от непрозрачной подложки. Цветность пленок зависит только от их толщины и показателя преломления Δ = 2nxsinα, где Δ - разность хода лучей; n - показатель преломления пленки; α - угол отражения; x - толщина пленки. Если отраженный свет наблюдать под прямым углом к поверхности пленки, то Δ = 2nx.Зная показатель преломления материала, по цвету пленки легко определить ее толщину.

Слайд 61

Слайд 62

Интерферометрия
Сущность метода заключается в измерении высоты "ступеньки" после стравливания пленки диэлектрика

с части пластины. При наблюдении ступеньки с помощью микроинтерферометра на фоне поверхности видны серии интер-ференционных полос, которые претерпевают излом на ступеньке (рис.2.10). Толщина пленки пропорциональна сдвигу интерференционных полос: x = (Δh/h)λ/2, где Δh - сдвиг полосы, отн. ед.; h - расстояние между соседними интерференционными полосами, мкм; λ - длина волны для видимого света, λ/2 = 0,27 мкм.

Слайд 63

Эллипсометрический метод
После отражения от верхней и нижней границ раздела изменяются амплитуды

перпендикулярной и параллельной составляющих монохроматического излучения, а также разница фаз между ними. Величина этих изменений зависит от коэффициентов отражения n2 и n3, коэффициентов поглощения к2 и к3 , угла падения ϕ и толщины пленки d. Если мы знаем к3 и n3, а к2=0 (пленка прозрачна), коэффициент преломления и толщина пленки могут быть определены.

Слайд 64

Профилометр

Слайд 65

Слайд 66

Контроль заряда на границе раздела полупроводник – диэлектрик

Слайд 67

Механическая обработка кремниевых пластин

Содержание

Структуру нарушенного слоя полупроводниковой пластины Структура нарушенного при механической обработке поверхностного

Виды поверхностных загрязнений

Очистка поверхности пластин после механической обработкиОчистка поверхности начинается с обработки пластин в

Химическое травление кремнияДоставка реагента из объема раствора к поверхности пластиныХимическое взаимодействие

Доставка молекул из объема травителя к поверхности пластины При однородном распределении

Варианты травителейПолирующие травителиТравитель для ХДПСелективный травительHF:HNO3 = 1:10;HF:HNO3 = 1:3;HF:HNO3:CH3COOH =

Анизотропное травлениеСелективный травитель называется анизотропным, когда скорость травления кремния в определенном