close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

39.Современные требования к кремниевым пластинам

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана
Г.Р. Сагателян, Н.В. Макушина
СОВРЕМЕННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
К КРЕМНИЕВЫМ ПЛАСТИНАМ
БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия
Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2006
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
УДК 621.38
ББК 32.843
С12
Рецензенты: А.А. Ефремов, С.В. Петров
С12
Сагателян Г.Р., Макушина Н.В.
Современные требования к кремниевым пластинам большого диаметра: Учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 2006. – 50 с.: ил.
ISBN 5-7038-2926-7
Приведены современные требования к геометрической точности изготовления пластин-подложек интегральных микросхем. Рассмотрены кремниевые подложки диаметром 150 и 200 мм, а также сапфировые подложки
диаметром 100 мм. Описаны новые технологические операции, применяемые при производстве полупроводниковых пластин.
Для студентов специальности «Проектирование и производство электронной аппаратуры» и «Проектирование и технология радиоэлектронных
средств», изучающих курс «Микроэлектроника».
Ил. 17. Табл. 8.
УДК 621.38
ББК 32.843
Учебное издание
Гайк Рафаэлович Сагателян
Наталья Владимировна Макушина
Современные требования к кремниевым пластинам
Редактор Е.К. Кошелева
Корректор Л.И. Малютина
Компьютерная верстка О.В. Беляевой
Подписано в печать 29.09.2006. Формат 60×84/16. Бумага офсетная.
Печ. л. 3,25. Усл. печ. л. 2,91. Уч.-изд. л. 2,85. Тираж 200 экз.
Изд. № 38. Заказ
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская, 5.
ISBN 5-7038-2926-7
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ВВЕДЕНИЕ
Целесообразность перехода к применению пластин кремния
диаметром более 150, 200 мм для создания сверхбольших интегральных схем (СБИС) диктуется в первую очередь экономическими соображениями. На пластинах диаметрами 150, 200 и
300 мм можно разместить, соответственно, в 2; 4,5 и 12 раз больше
2
кристаллов размером 20 × 20 мм , чем на пластине диаметром
100 мм. При этом коэффициент заполнения пластины кристаллами
такого размера при переходе от пластин диаметром 150 мм к пластинам диаметром 200 и 300 мм возрастает с 0,53 до 0,72 и до 0,84
соответственно.
Расчеты показывают, что при переходе от одного диаметра
пластины к другому капитальные затраты на производство одной
пластины возрастают примерно на 40 %, однако при этом выход
годных кристаллов увеличивается в 2,0–2,5 раза. Другими словами, стремление к применению пластин кремния все большего диаметра экономически целесообразно.
В настоящее время в мире действует или находится на стадии
подготовки около 50 линий по производству пластин кремния
диаметром 200 мм с производительностью до 10 тыс. пластин в
месяц, и целый ряд компаний заявили о намерениях производить
(или уже приступили к производству на пилотных линиях) пластины кремния диаметром 300 мм.
Требования к качеству пластин кремния большого диаметра
определяются в основном процессами прецизионной микролитографии субмикронных размеров, используемой для создания
СБИС.
Задача технологического процесса обработки – удаление нарушений, возникших на первых этапах обработки, и получение
плоской, свободной от механических повреждений поверхности
пластин кремния с требуемыми параметрами плоскостности, которые закладываются на операциях шлифования свободным или связанным абразивом. Последующие операции по удалению остаточных повреждений, например химико-механическое полирование,
не должны приводить к деградации плоскостности.
3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Расширение номенклатуры изделий, определяемых в первую
очередь диаметром обрабатываемых монокристаллов, требует не
только существенного изменения, но и, прежде всего, создания
нового технологического оборудования, а также использования
новых инструментов и вспомогательных материалов.
Экономической целесообразностью диктуется также необходимость снижения припусков на обработку на отдельных этапах
технологического процесса. Это ведет к ужесточению требований
к точностным характеристикам видоизменяемого или вновь создаваемого технологического оборудования.
Размерный ряд технологического оборудования для обработки
пластин кремния в России не обновлялся с середины 1980-х годов,
тогда как номенклатура изделий существенно изменилась (произошел переход от промышленного выпуска пластин диаметром
50…76 мм к производству пластин диаметром 100…150 мм и
опытным образцам пластин диаметром 200 мм). В связи с этим
наряду с анализом мировых тенденций в изменении технологий и
технологического оборудования для обработки кремниевых пластин увеличенного диаметра (200 мм и более) в предлагаемом пособии рассмотрены и некоторые приемы улучшения технологии
обработки кремниевых пластин.
1. ТРЕБОВАНИЯ К ПОЛИРОВАННЫМ ПЛАСТИНАМ
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ
Соответствие параметров кремниевых пластин требуемым значениям контролируют в установленной зоне качества (рис. 1),
представляющей собой центральную область поверхности пластины, отделенную от контура пластины краевым участком Х. Размер
установленной зоны качества не зависит от допусков на диаметр и
длины фаски. Номинальную величину краевого участка Х указывают в заказе на партию кремниевых пластин.
Качество поверхностей кремниевых пластин оценивают по параметрам, приведенным в табл. 1, где указаны минимальные требования к наличию и размерам поверхностных дефектов. Эти требования должны использоваться при определении пригодности
кремниевой пластины для изготовления СБИС. Несовершенства,
меньшие указанных в табл. 1, не должны рассматриваться как дефекты.
4
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 1. Фиксированный участок качества:
X – номинальное исключение контура; 1 – вспомогательный срез; 2 – граница
фиксированного участка качества; 3 – внешняя граница подложки;
4 – базовый срез
Таблица 1
Пределы дефектности полированной подложки
Параметр
Предельно
допустимое значение
Рабочая поверхность
Наибольшее количество
Не допускаются
царапин2
То же
Точки2
»
Затемнения2
Максимальное количество
загрязняющих частиц на
пластинах диаметром:
4
2 дюйма
6
3 дюйма
10
100 мм
10
125 мм
15
150 мм
Загрязненная площадь2
Сколы и зазубрины
по краю3,5
Трещины, морщины5
Кратеры2
Углубления2
Канавки2
Возвышения2
1
7
Освещение
Интенсивное
»
»
»
То же
Интенсивное
или рассеянное
Рассеянное
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»
Не допускается
5
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 1
Параметр
Предельно
допустимое значение
Не допускаются
Апельсиновая корка2
То же
Следы отрезного инструмента2
–
Бороздки резистивности4
Нерабочая поверхность
Не допускаются
Сколы по краям3,5
То же
Трещины, морщины
»
Загрязненная площадь
Следы отрезного инстру»
мента6
7
Освещение
Рассеянное
»
»
»
»
»
»
1
Доля бракованных накопленных пластин по каждому параметру в
отдельности – 1 %, по всем перечисленным параметрам суммарно – не
более 2,5 %.
2
Наружная каемка шириной 1,57 мм исключена из рассмотрения.
3
Критерий приемки / отбраковки должен быть согласован между
пользователем и поставщиком для подложек, края которых механически
не скруглены.
4
Борозды могут быть заметны на пластинах с низким поверхностным
сопротивлением (менее 0,020 Ом ⋅ см).
5
Уровень приемки партии по качеству для рабочей и нерабочей поверхностей составляет 1 % от накопленных бракованных пластин.
6
Критерий приемки / отбраковки должен быть согласован между
пользователем и поставщиком для пластин, подвергаемых операциям
доводки.
7
Условия освещенности определяются стандартом ASTM F 523
(США).
Приведем определения дефектов кремниевых пластин.
Царапиной считается любой протяженный дефект, имеющий
отношение длины к ширине более 5:1.
Точка – это любой отдельно распознаваемый изоморфный поверхностный дефект, т. е. любое отдельно различаемое неудаляемое несовершенство на поверхности, видимое при рассмотрении в
условиях интенсивного освещения.
Затемнение (лáсина) – нелокализованное рассеяние света, происходящее вследствие особенностей микрорельефа поверхности
(шероховатости) или вследствие высокой концентрации поверхностных или приповерхностных несовершенств. Затемнение фиксируют в случае, когда на полированной поверхности можно разли6
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
чить изображение тонкой вольфрамовой нити накаливания от осветительной лампы (при некоторых условиях затемнение может
быть вызвано загрязнением поверхности).
Частица – маленький дискретный кусок инородного материала
или кремния, не соединенного кристаллографически с пластиной.
Частица может быть кусочком твердого материала либо конденсатом из жидкостей или газов. Частицы наблюдаются при автоматизированном контроле как причина рассеяния излучения лазера, но
они могут наблюдаться и визуально при высокоинтенсивном освещении как точки света; они также могут быть исследованы другими методами, включая сканирующую электронную микроскопию. С поверхности пластины частицы обычно могут быть удалены очисткой без травления.
Загрязняющей частицей называют отдельно расположенный на
поверхности или в приповерхностном слое пластины элемент, такой, как частица или точка, приводящий к повышенному рассеянию света по отношению к рассеянию света окружающей поверхностью пластины. Иногда загрязняющую частицу называют легким точечным дефектом. Любые частицы, покоящиеся на поверхности пластины и обнаруживаемые в свете коллиматора как
яркие точки, являются загрязняющими частицами.
Загрязнением по площади называют объект, непреднамеренно
привнесенный на поверхность пластины, имеющий протяженность
большую, чем единичный локализованный рассеиватель света. Загрязнением по площади может быть инородный объект на поверхности пластины, появившийся в результате наличия отметин от
технологической оснастки, отпечатков пальцев или перчаток, натиров, следов клеящих составов и растворов и т. д.
Загрязненной площадью называют любое наличие на поверхности в локализованных областях инородности, которая проявляется
при контроле в условиях освещения как обесцвечивание, блеклость или облачность в результате налипаний, натиров, водных
брызг и т. д.
Сколами и зазубринами по краям называют любые несовершенства, включая следы выхода отрезного инструмента, имеющие
размер более 0,25 мм от края к центру пластины в радиальном направлении или в длину в окружном направлении.
Трещины и морщины – это любые несовершенства, имеющие
общую длину более 0,25 мм.
Кратер – любая индивидуально различимая поверхностная
аномалия, подходящая по форме под описание и видимая при рассеянном освещении.
7
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Углубление – это любое понижение гладкой поверхности,
имеющее диаметр более 3 мм. Обычно углублением называют
слабое понижение с плавно спадающими сторонами, которое имеет вогнутую сферическую форму и видимо невооруженным глазом
при подходящих условиях освещения.
Канавка – это любое несовершенство, которое имеет размер
более 0,13 мм в ширину или 0,76 мм в длину. Канавка на полупроводниковой пластине – это покатая царапина с закругленными
краями, которая обычно представляет собой остаток от царапины,
не полностью удаленной полированием.
Возвышение – это любой необычный участок поверхности,
имеющий протяженность более 0,25 мм в направлении наибольшего размера.
«Апельсиновая корка» – это любая визуально различимая шероховатая поверхность, соответствующая описанию, которую
можно наблюдать при рассеянном освещении.
Бороздка – любая особенность поверхности, различимая при
рассеянном освещении.
Геометрические параметры пластин регламентируются следующими стандартами: ASTMF613(США) или DIN 50441/4 (Германия). Толщину в центре пластины определяют, кроме того, по
стандартам ASTM F533; ASTM F1530 или DIN 50441/1, а длину
срезов – по ASTM F671.
В международных стандартах на геометрические параметры
пластин используют следующие определения.
Срезом на полупроводниковой пластине называют часть периферии круглой пластины, удаленную по хорде (рис. 2).
Рис. 2. Диаметр основного базового среза
8
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Базовым срезом называют срез, который имеет наибольшую
длину и ориентирован так, что хорда параллельна кристаллографической плоскости с малым значением индексов Миллера.
Индексы Миллера – наименьшие целые числа, пропорциональные обратным величинам отрезков, отсекаемых плоскостью на
трех кристаллографических осях и измеренных в периодах кристаллической решетки.
Приняты следующие обозначения индексов Миллера:
• плоскость (111);
• семейство плоскостей {111};
• направление [111];
• семейство направлений <111>.
Вспомогательным срезом называют срез, имеющий меньшую,
по сравнению с базовым срезом длину; по расположению вспомогательного среза относительно базового идентифицируют тип
проводимости пластины и кристаллографическую ориентацию ее
рабочей поверхности (рис. 3).
Следует отметить, что типы расположения вспомогательного и
базового срезов, показанные на рис. 3, в, после 1990 г. используют
только для подложек диаметром не более 125 мм, а показанные на
рис. 3, д – для подложек диаметром 150 мм.
Размер пластины по срезу – это линейный размер, измеряемый
по поверхности полупроводниковой пластины от середины среза
через центр пластины до периферии пластины на противоположной стороне вдоль диаметра, перпендикулярного срезу (см. рис. 2).
В случае противолежащего расположения базового и вспомогательного срезов (например, для пластин {100} n-типа проводимости диаметром не более 125 мм) понятие размера пластины по срезу не применяют, поскольку диаметр, перпендикулярный срезу, не
пересекает периферийной области пластины.
В международных стандартах приняты следующие обозначения:
TV – thickness variation – изменение толщины;
TTV – total thickness variation – общее изменение толщины;
NTV – nonlinear thickness variation – нелинейное изменение
толщины;
LTV – linear thickness variation (taper) – линейное изменение
толщины;
TIR – total indicator runout – отклонение от плоскостности;
FPD – focal plane deviation – отклонение от фокальной плоскости;
9
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 3. Ориентирование вспомогательного и базового срезов (а–д):
1 – основной базовый срез; 2 – вспомогательный базовый срез; СW –
направление ориентирования базовых срезов (по часовой стрелке).
Взаимное положение двух базовых срезов в используется для подложек
диаметром 125 мм или меньше; д – для подложек диаметром 150 мм
RPD – reference plane deviation – отклонение от базовой плоскости (в сокращенном варианте – D);
FQA – fixed quality area – площадь контроля (в сокращенном
варианте – R);
10
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
PUA – percent usable area – доля годной поверхности;
CF – center focus – центр;
G – global – полная поверхность;
S – site – участок заданных размеров, ячейка;
F – front surface – передняя поверхность;
B – back surface – плоскость, совмещенная с обратной поверхностью пластины, которая считается идеально плоской;
L – least squares surface – плоскость, проведенная так, чтобы
сумма квадратов отклонений точек реальной поверхности от этой
плоскости в пределах нормируемой площади контроля имела минимальное значение;
З – 3-point surface – плоскость, проходящая через три строго
заданные точки поверхности пластины в пределах нормируемой
площади контроля;
Q – site least squares surface – локальная базовая плоскость.
Требования к точности изготовления кремниевых пластин
большого диаметра (150 и 200 мм) приведены в табл. 2.
Точность ориентации рабочей поверхности пластины, а также
допустимые погрешности выполнения базового и вспомогательного срезов характеризуются величинами, приведенными в табл. 3.
Необходимо заметить, что для пластин (111) плоскости (110) ,
(011), (101) эквивалентны. Для пластин (100) эквивалентными
плоскостями {110} являются (011), (011), (011), (011).
Отметим также, что возникшую на предыдущем этапе обработки разориентацию пластины определяют по расположению
стрелок на рабочей поверхности. Полирование не той стороны,
относительно которой определены углы разориентации, приводит
к неправильному уклонению пластины, что может вызвать нежелательные сдвиги кристаллографических плоскостей и дефекты
роста кристалла при последующей операции эпитаксии. При этом
вклад ортогональной разориентации (позиция 5 на рис. 4) в общее
отклонение от требуемой ориентации рабочей поверхности должен быть менее 0,5°.
Соответствие геометрических параметров контура пластины
определяют по шаблону (рис. 5), а размеры и ориентация зарубки
должны соответствовать указанным на рис. 6 значениям.
11
–
37,5 ± 2,5
–
–
60
60
10
*
225/166
*
50/100
Угол зарубки, град
Прогиб (BOW), мкм, не более
Коробление (WARP), мкм, не более
Разнотолщинность (TTV), не более, мкм
Координата Cy точки С профиля контура, мкм
Координата Сх точки С профиля контура, мкм
90+−51
65
75
10
*
242/181
*
50/100
–
65
75
10
*
242/181
*
50/100
–
–
195,5 ± 0,2
200 ± 0,2
725 ± 20
–
200 мм с базовым
срезом
Таблица 2
В числителе (знаменателе) приведены значения для профилей контура, имеющих размер по высоте, равный
1/3 (1/4) от номинальной толщины пластины.
*
–
–
1, 00
200 ± 0,2
725 ± 20
–
150 ± 0,2
675 ± 20
57,5 ± 2,5
Диаметр пластины D, мм (см. рис. 2)
Толщина пластины в ее центре, мкм
Длина базового среза, мм
Размер пластины от базового среза до контура пластины, мм
Длина вспомогательного среза, мм
Глубина зарубки, мм
+0,25
200 мм с зарубкой
Численные значения для пластин диаметром
150 мм
Геометрические параметры пластин
Требования к кремниевым пластинам диаметрами 150 и 200 мм
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
±1
(135 ± 5) по часовой
стрелке от базового среза
{100} кремний n-типа
Пределы отклонений от требуемой ориентации рабочей поверхности для пластин {111} и {100}, град
(45 ± 5) по часовой стрелке
от базового среза
(90 ± 5) по часовой стрелке
от базового среза
Без вспомогательного среза
±1
Без вспомогательного среза
<110> ± 1
–
{110} ± 1
–
200 мм с зарубкой
Диаметр пластин
150 мм
{111} кремний n-типа
{100} кремний р-типа
{111}кремний р-типа
Расположение вспомогательного среза,
град:
Ориентация оси зарубки, град
Ориентация базового среза, град
Параметры
±1
Без вспомогательного среза
–
200 мм с базовым
срезом
{110} ± 1
Требования к ориентации рабочих поверхностей, базового и вспомогательного срезов кремниевых пластин
Таблица 3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ортогональная разориентация, град, не
более
Ориентация преднамеренно разориентированных пластин {111}: угол наклона нормали к поверхности пластины
относительно ближайшего направления
<110> в плоскости, параллельной базовому срезу, град
Параметры
±5
2,5 ± 0,5
или
4,0 ± 0,5
150 мм
±5
2,5 ± 0,5
или
4,0 ± 0,5
200 мм с зарубкой
Диаметр пластин
±5
2,5 ± 0,5
или
4,0 ± 0,5
200 мм с базовым
срезом
Окончание табл. 3
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 4. Ориентация преднамеренно разориентированных пластин:
1 – вектор нормали к поверхности пластины; 2 – разориентированная пластина
(подложка СБИС); 3 – плоскость {111}; 4 – ближайшее направление {110};
5 – ортогональная разориентация; 6 – проекция направления {110}
на плоскость {111}; 7 – ориентация базового среза
Рис. 5. Шаблон для контура края пластины (а); примеры приемлемых (б)
и неприемлемых (в, г, д) контуров (см. также с. 16)
15
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 5. Окончание
16
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 6. Размеры и расположение зарубки на кремниевых пластинах
(все размеры в мм)
2. ОСОБЕННОСТИ ОПИСАНИЯ И ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ
ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПЛАСТИН
Геометрические характеристики рельефа поверхности и формы
пластин полупроводниковых материалов определяются совокупностью следующих основных параметров:
1. Параметры, характеризующие общее отклонение от плоскостности поверхности при условии, что пластина находится в прижатом состоянии. Эти параметры отражают свойства всей поверхности пластины.
2. Параметры, характеризующие локальное отклонение от плоскостности поверхности в пределах ячейки заданных размеров при
условии, что пластина находится в прижатом состоянии. Эти параметры отражают только свойства поверхности пластины в пределах указанной ячейки.
3. Параметры, характеризующие геометрическую форму пластины в неприжатом свободном состоянии. Эти параметры характеризуют свойства поверхности пластины комплексно.
4. Толщина пластины и однородность распределения толщины
по площади пластины.
17
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. Доля годной поверхности пластины по заданному геометрическому параметру.
2.1. Геометрический рельеф поверхности пластины
в прижатом состоянии
Базовые плоскости
Геометрический рельеф поверхности пластин характеризуется
расположением точек реальной поверхности пластины относительно выбранной определенным образом базовой плоскости.
Рельеф поверхности является важной характеристикой, определяющей качество воспроизведения топологического рисунка фотошаблона на поверхности пластины при выполнении операции
фотолитографии.
В микроэлектронике используют два способа проведения операции фотолитографии, а именно проецирование рисунка фотошаблона:
1) на всю поверхность пластины;
2) на локальный участок поверхности в пределах ячейки заданных размеров с шаговым мультиплицированием изображения на
всю поверхность пластины.
Базовые плоскости, используемые для контроля рельефа поверхности, делятся на две основные группы:
G – общие базовые плоскости, совмещенные со всей поверхностью пластины в пределах нормируемой площади контроля (FQA);
S – локальные базовые плоскости, совмещенные с поверхностью ячейки заданных размеров.
Каждая из указанных групп базовых плоскостей может быть
использована для описания геометрического профиля как рабочей
(F), так и обратной (B) стороны пластины. Таким образом, каждая
группа базовых плоскостей имеет две подгруппы:
GF – общие базовые плоскости, совмещенные с рабочей поверхностью пластины;
GB – общие базовые плоскости, совмещенные с обратной поверхностью пластины;
SF – локальные базовые плоскости, совмещенные с рабочей
поверхностью пластины;
SB – локальные базовые плоскости, совмещенные с обратной
поверхностью пластины.
18
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
В зависимости от способа совмещения базовой плоскости с исследуемой поверхностью различают несколько типов базовых
плоскостей. В микроэлектронике в соответствии с международными стандартами приняты следующие типы базовых плоскостей.
Общие базовые плоскости
Плоскость L – плоскость, проведенная так, чтобы сумма квадратов отклонений точек реальной поверхности от этой плоскости в
пределах нормируемой площади контроля (FQA) имела минимальное значение.
Плоскость З – плоскость, проходящая через три строго заданные точки поверхности пластины в пределах нормируемой площади контроля (FQA).
Плоскость (B) – плоскость, совмещенная с обратной поверхностью пластины, которая считается идеально плоской.
Локальные базовые плоскости
Локальные базовые плоскости L CF, З CF и B CF проводят в
каждой ячейке параллельно общим базовым плоскостям L, З и B
таким образом, чтобы точка геометрического профиля поверхности в центре ячейки лежала в базовой плоскости.
Локальная базовая плоскость Q – плоскость, построенная по
методу наименьших квадратов в пределах каждой ячейки.
Фокальная плоскость
Фокальная плоскость является характеристикой оптической
системы фотолитографической аппаратуры.
Фокальная плоскость есть плоскость, перпендикулярная оптической оси и представляющая собой геометрическое место точек
проекционной системы.
При выполнении операций фотолитографии оптическая система настраивается таким образом, чтобы точка рельефа в центре
экспонируемой поверхности находилась в фокальной плоскости.
Чтобы контролируемые геометрические параметры рельефа
поверхности пластины соответствовали реальным условиям проведения фотолитографических процессов, при проведении измерений стремятся использовать базовые плоскости, совмещенные с
фокальной. В некоторых случаях используют базовые плоскости,
не совпадающие с фокальной, но при этом базовая плоскость проводится таким образом, чтобы ее центральная точка совпадала с
центральной точкой фокальной плоскости.
19
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Параметры, характеризующие макроотклонения поверхности
В международной практике приняты три параметра для численной оценки микроотклонений поверхности:
1) отклонение от плоскостности (TIR) – минимальное расстояние между двумя плоскостями, параллельными базовой плоскости
и образующими коридор, в котором располагаются все точки
рельефа поверхности пластины в пределах нормируемой площади
контроля (FQA); в сокращенной записи –параметр R;
2) отклонение от базовой плоскости (RPD) – максимальное
расстояние точки на поверхности пластины от базовой плоскости в
пределах нормируемой площади контроля (FQA); в сокращенной
записи параметр D. Отклонения точек реальной поверхности вверх
от базовой плоскости считаются положительными, вниз от базовой
плоскости – отрицательными;
3) отклонение от фокальной плоскости (FPD) – максимальное
расстояние точки на поверхности пластины от фокальной плоскости в направлении оптической оси в пределах нормируемой площади контроля (FQA); в сокращенной записи – параметр D.
Если базовая и фокальная плоскости совпадают, то последние
два параметра эквивалентны.
Общее отклонение от плоскостности
Общее отклонение от плоскостности является геометрическим
параметром, характеризующим высоту макрорельефа поверхности
пластины относительно выбранной общей базовой плоскости. С
учетом выбора общей базовой плоскости и способа численной
оценки высоты рельефа поверхности общее отклонение от плоскостности может описываться следующими наборами параметров:
GF3D; GF3R; GFLR; GFLD; GBIR; GBID.
Классификация этих параметров, а также графическая интерпретация параметров, характеризующих общее отклонение от плоскостности, приведены на рис. 7 и 8.
Следует отметить особенность в выборе общей базовой плоскости при определении параметра GBID. По международным
стандартам принято для вычисления этого параметра использовать
базовую плоскость, параллельную общей базовой плоскости B и
проведенную таким образом, чтобы точка геометрического рельефа поверхности в центре контролируемой площади пластины лежала в базовой плоскости.
20
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 7. Классификация параметров отклонения от плоскостности
Рис. 8. Отклонения профиля:
а – от плоскостности (1 – базовая плоскость; 2 – вакуумный стол); б – от
базовой плоскости (1 – базовая плоскость; 2 – локальная базовая
плоскость; 3 – вакуумный стол)
21
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Такой выбор базовой плоскости обусловлен следующими технологическими причинами. При проведении операции фотолитографии с проецированием изображения рисунка фотошаблона на
всю рабочую поверхность пластины используют общие базовые
плоскости, совпадающие с фокальной плоскостью. В этом случае
параметр RPD является наиболее объективной характеристикой,
позволяющей прогнозировать качество проецируемого топологического рисунка фотошаблона.
При определении параметра GBIR выбор общей базовой плоскости (B или другой, параллельной ей) не изменяет его численного
значения.
Локальные отклонения от плоскостности
Локальное отклонение от плоскостности является геометрическим параметром, характеризующим высоту рельефа поверхности
пластины в пределах ячейки определенных размеров относительно
выбранной общей или локальной базовой плоскости.
С учетом выбора базовой плоскости и способа численной
оценки высоты рельефа поверхности локальное отклонение от
плоскостности может описываться следующими выборами параметров: SF3R; SF3D; SFLR; SFLD; SFQR; SFQD; SBIR; SBID.
Классификация этих параметров, а также графическая интерпретация параметров, характеризующих локальное отклонение от
плоскостности, показаны соответственно на рис. 9 и 10.
Необходимо иметь в виду некоторые особенности в выборе базовых плоскостей для определения параметров SFLD, SF3D и
SBID. По международным стандартам принято для вычисления
этих параметров использовать не общие базовые плоскости 3, L и
B, а локальные базовые плоскости 3 CF, L CF и B CF.
Такой выбор базовых плоскостей целесообразен по следующим
технологическим причинам. При проведении операций фотолитографии способом мультиплицирования обычно используют локальные базовые плоскости, совмещенные с локальной фокальной
плоскостью, или локальные базовые плоскости, не совпадающие с
локальной фокальной плоскостью, но имеющие с ней общую точку в центре ячейки. В этом случае параметр RPD является наиболее объективной характеристикой, прогнозирующей качество проецируемого на ячейку топологического рисунка фотошаблона.
22
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 9. Классификация параметров локального отклонения
от плоскостности
При оценке параметров SF3R, SFLR и SBIR использование общих базовых плоскостей 3, L и B или локальных базовых плоскостей 3 CF, L CF и B CF не влияет на их численное значение.
Из рассмотрения геометрических параметров пластин очевидно, что стандартизованные отклонения подразделяются с точки
зрения технологического процесса их изготовления на две категории. К первой категории относятся отклонения TV, ТТV, sori. Эти
отклонения могут быть устранены в процессе операции шлифовки.
Ко второй категории следует отнести отклонения bow и warp, которые вследствие технологической наследственности не могут
быть устранены при шлифовке из-за весьма малой жесткости заготовки. Поэтому актуальным является задача разработки технологии шлифовки пластин кремния и сапфира с обеспечением уменьшения отклонений warp и bow. По нашему мнению, наиболее перспективным для решения этой задачи является шлифовка по схеме
двусторонней абразивной доводки с обеспечением минимального
давления инструментов притиров на обрабатываемую пластинузаготовку.
23
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 10. Локальные отклонения от плоскостности и от базовой плоскости:
а – 1 – базовая плоскость L; 2 – ячейка; 3 – вакуумный стол; б – 1 – базовая
плоскость 3; 2 – ячейка; 3 – вакуумный стол; в – 1 – базовая плоскость I;
2 – ячейка; 3 – вакуумный стол; г – 1 – базовая плоскость I; 2 – локальная
базовая плоскость I; 3 – ячейка; 4 – вакуумный стол; д – 1 – базовая плоскость I; 2 – локальная базовая плоскость I; 3 – вакуумный стол; e – 1 – базовая
плоскость I; 2 – вакуумный стол
24
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 10. Окончание
25
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.2. Толщина и однородность распределения толщины
по площади пластины
Толщина пластины Т – расстояние между противоположными
точками рабочей и обратной сторон пластины. За номинальное
значение принимают толщину, измеренную в центре пластины.
Изменение толщины TV – величина, характеризующая разброс
толщины пластины и равная разности максимального и минимального значений толщины, измеренных в пяти точках, одна из которых размещена в центре, а другие – на двух взаимно перпендикулярных диаметральных линиях на заданном расстоянии от края
пластины.
Общее изменение толщины TTV – величина, характеризующая
разброс толщины пластины, равная разности максимального и минимального значений толщины, измеренных в равномерно распределенных по нормируемой площади контроля (FQA) точках, число
которых устанавливается произвольно по согласованию с потребителем. Параметр TTV эквивалентен параметру GBIR.
Нелинейное изменение толщины NTV – максимальная алгебраическая разность отклонений точек реальной поверхности от
базовой плоскости типа L. Параметр NTV эквивалентен параметру
GFLR.
Линейное изменение толщины (клин или отклонение от параллельности плоскостей) LTV – разность наибольшего и наименьшего расстояний между базовыми плоскостями типа L и I (рис. 11).
Рис. 11. Отклонение от параллельности и плоскостей (клин):
1 – базовая плоскость I; 2 – базовая плоскость L
26
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.3. Геометрическая форма пластины в свободном состоянии
и рельеф поверхности
Геометрическая форма пластины в свободном состоянии может
описываться параметрами, характеризующими расположение точек либо срединной либо рабочей поверхности относительно выбранной базовой плоскости, совмещенной соответственно либо со
срединной, либо с рабочей поверхностью в пределах нормируемой
площади контроля FQA.
В соответствии с международными стандартами в микроэлектронике для определения параметров, характеризующих форму
пластины в свободном состоянии, используют общие базовые
плоскости типа L и З.
Опорная плоскость – плоскость, параллельно которой происходит сканирование измерительных датчиков и по нормали к которой проводится отсчет разности расстояний между точками срединной поверхности (или рабочей поверхности) и соответствующими точками выбранной общей базовой плоскости.
Срединная поверхность – это поверхность внутри пластины,
каждая точка которой находится на равном расстоянии от верхней
и нижней поверхностей пластины.
Форма пластины в свободном состоянии характеризуется совокупностью следующих параметров.
Коробление пластины (WARP) – мера деформации срединной
поверхности находящейся в свободном состоянии пластины,
имеющей форму пропеллера или чередующихся выпуклых и вогнутых участков. Количественно характеризуется разностью максимального и минимального расстояний срединной поверхности
от базовой плоскости срединной поверхности по нормали к опорной плоскости, параллельно которой происходит сканирование
измерительного датчика.
Прогиб (BOW) – мера деформации срединной поверхности находящейся в свободном состоянии пластины, имеющей выпуклую
или вогнутую форму. Количественно характеризуется расстоянием
срединной поверхности от общей базовой плоскости срединной
поверхности в центре пластины по нормали к опорной плоскости,
параллельно которой происходит сканирование измерительного
датчика.
27
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Параметр SORI – мера деформации рабочей поверхности находящейся в свободном состоянии пластины. Количественно характеризуется разностью максимального и минимального расстояний рабочей поверхности пластины от общей базовой плоскости
рабочей поверхности по нормали к опорной плоскости, параллельно которой происходит сканирование измерительного датчика.
Численные значения коробления пластины и параметра SORI
зависят от трассы сканирования датчика и степени заполнения поверхности пластины контрольными точками. Поэтому при формулировании требований к этим параметрам в спецификациях на
пластины необходимо регламентировать метод измерений или тип
используемой измерительной аппаратуры.
Классификация параметров формы пластины в свободном состоянии, а также графическая интерпретация параметров формы
пластины представлены на рис. 12 и 13.
Рис. 12. Классификация параметров формы пластин
28
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 13. Варианты коробления и прогиба относительно различных базовых плоскостей (а–г):
а – базовая плоскость (1), проходящая через три точки на обратной
поверхности; б – базовая плоскость (1), проходящая через три точки на
срединной поверхности; в – базовая плоскость (1) наименьших квадратов
рабочей поверхности; г – базовая плоскость (1) наименьших квадратов
срединной поверхности (2 – коробление WARP; 3 – прогиб BOW)
29
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2.4. Доля годной поверхности
Доля годной поверхности оценивается следующими параметрами:
• доля годной поверхности (PUA) по общему отклонению от
плоскостности – величина, выражающая в процентах отношение
числа точек контроля, в которых измеренные значения отклонения
от плоскостности не выходят за пределы установленных норм, к
общему числу точек контроля;
• доля годной поверхности (PUA) по локальному отклонению
от плоскостности – величина, выражающая в процентах отношение числа ячеек, для которых измеренное значение не выходит за
пределы установленных норм, к общему числу ячеек на поверхности пластины.
Деление поверхности пластины на ячейки заданного размера
простым геометрическим способом уменьшает контролируемую
долю рабочей площади и не позволяет получить информацию о
геометрических параметрах всей рабочей поверхности. Вследствие
этого некоторые измерительные средства дают возможность контролировать долю годной поверхности по локальному отклонению
от плоскостности, используя схему расположения ячеек с определенным перекрытием по площади. Это обстоятельство необходимо
учитывать при сопоставлении результатов измерения доли годной
поверхности по локальному отклонению от плоскостности, полученных при различных схемах взаимного расположения контролируемых ячеек.
3. НОВОЕ В ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ
КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН
Современная структура технологического процесса производства кремниевых пластин представлена на рис. 14.
В последнее время в технологии изготовления пластин кремния, предназначенных для создания СБИС, проявляется тенденция
к замене щелочного травления кислотным. В первую очередь это
обусловлено необходимостью снижения поверхностной концентрации щелочных металлов на рабочей поверхности пластины.
Наличие щелочных металлов на поверхности снижает электрическую стойкость подзатворного диэлектрика, осаждаемого на поверхность пластины кремния.
30
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 14. Структура технологического процесса:
1* – жесткое травление обратной поверхности; 2* – покрытие обратной
стороны низкотемпературным оксидом и/или защитным слоем; ТО –
термическая обработка (см. также с. 32, 33)
31
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 14. Продолжение
32
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 14. Окончание
33
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Другая причина заключается в том, что в отличие от щелочного травления кислотное полирующее травление является изотропным. При его использовании шероховатость травленой поверхности меньше, чем при щелочном травлении, вследствие этого вероятность адгезии твердых частиц такой поверхностью снижается и
процесс очистки пластин от частиц облегчается. Изотропный характер кислотного травления предполагает однородное химическое воздействие травителя в любом кристаллографическом направлении. Травитель, как правило, содержит азотную кислоту
НNО3, плавиковую кислоту НF, этиловый спирт СН3СООН (замедлитель) и поверхностно-активное вещество (ПАВ). Уксусная
кислота и ПАВ увеличивают смачиваемость поверхности пластин
кремния, а ПАВ, кроме того, помогает стабилизировать размер
пузырьков инертного газа, который пропускается через раствор в
процессе травления.
Смачиваемость пластины и стабильность размера пузырьков газа
являются важными параметрами для повышения однородности съема материала при травлении кремния и сохранения плоскостности
пластин после травления. Для уменьшения шероховатости поверхности при кислотном травлении кремния в травитель добавляют
сильно концентрированные кислоты: фосфорную Н3РО4 или хлорную НСlО4. Наконец, щелочное травление не может быть применено
для обработки сильнолегированных кремниевых подложек, которые
в последнее время находят все большее применение в технологии
СБИС. Это связано с тем, что скорость травления сильнолегированных (бором или мышьяком) подложек с концентрацией носителей
19 –3
10 см снижается в несколько раз по сравнению со слаболегированной подложкой и процесс щелочного травления таких подложек
становится экономически неэффективным.
Развитие технологии химико-механического полирования
(ХМП) достигло в мире такого уровня, что на качество и структурное совершенство поверхности полированных пластин начинают оказывать влияние такие факторы, которые раньше во внимание не принимались. К этим факторам можно отнести характеристики вспомогательных материалов: полировальных суспензий
и полировальников.
Механические и другие свойства полировальника оказывают
существенное влияние на механизм и скорость съема материала
34
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
при ХМП. Характеристики адгезионного слоя при бесприклеечной
технологии ХМП оказывают аналогичное влияние на параметры
полированных пластин кремния.
В процессе ХМП очень важны однородность распределения
частиц по размерам и их концентрация в полировальной суспензии, а также возможность коагуляции частиц суспензии. Отклонение этих параметров от оптимальных будет вести к изменению
скорости съема материала, появлению дополнительных дефектов и
даже к трещинообразованию, что недопустимо. Поэтому процесс
ХМП должен быть подвергнут модернизации с учетом новейших
представлений о механизмах съема при ХМП и роли характеристик вспомогательных материалов в этом процессе.
Экономической целесообразностью во многом определяется
изменение характера требований к качеству кремниевых пластин,
что накладывает определенные ограничения на правомерность тех
или иных технологических приемов и операций. Так, стремление к
максимальному использованию площади пластины приводит к
уменьшению размеров зоны исключения до 2 мм для кремниевых
пластин диаметром 200 мм. По тем же причинам становится нецелесообразным изготовлять ориентационные срезы на пластинах
кремния диаметром 200 мм. В связи с этим для увеличения полезной площади пластины при переходе к кремниевым пластинам
диаметром 200 мм и более отказываются от изготовления ориентационных срезов и формируют так называемые ориентационные
зарубки. Увеличение диаметра и массы используемых слитков
кремния, необходимость изготовления ориентационных зарубок
требуют изменения принципа действия технологических установок для проведения операций ориентации перед нанесением ориентационной зарубки и операцией резания.
Операция ориентации является новой, не включенной в стандарты АSТМ.
Изменение стратегии технологии обработки пластин, вырезаемых из монокристаллов большого диаметра (200 мм и более), касается и самого процесса резки. На смену дисковой резке при обработке монокристаллов диаметром 200 мм и более приходит многопроволочная резка, эффективность которой относительно дисковой
резки по большинству показателей бесспорна. Процесс съема материала при многопроволочной резке по своей природе близок к механизму съема при двухстороннем шлифовании свободным абразивом. Роль суспензионного носителя для свободного абразива при
многопроволочной резке играют возвратно-поступательная или непрерывно перемещающаяся проволока и охлаждающая жидкость.
35
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Эффективность многопроволочной резки определяется оптимизацией факторов, влияющих на процесс многопроволочной резки. К этим факторам относят: натяжение проволоки Т, скорость
перемещения проволоки U, скорость подачи слитка V и размер
зерна S. Важную роль в процессе многопроволочной резки играет
оптимизация не только самих факторов резки, но и состава суспензии. Важным, если не решающим параметром, определяющим качество многопроволочной резки, является качество используемой
проволоки. Проволока должна производиться из высокоуглеродистой холоднокатаной стали с предельной прочностью на растяже2
ние более 4000 Н/мм .
В целом же, несмотря на сложность оптимизации процесса
многопроволочной резки, включая и оптимизацию состава применяемой суспензии и характеристик применяемой проволоки, с
экономической точки зрения многопроволочная резка намного
эффективнее дисковой резки (табл. 4). В массовом производстве
один станок для многопроволочной резки заменяет 10 станков для
дисковой резки при разрезании слитков диаметром 200 мм.
Таблица 4
Сравнение методов многопроволочной резки и резки с помощью
алмазных кругов с внутренней режущей кромкой (АКВР)
Параметр
Многопроволочная
резка
Резка АКВР
Механизм съема
Прокатывание/
идентирование
Глубина повреждений,
мкм
Однородная, от 5
до 15
Переменная, от 5 до
25
Число пластин, отрезаемых за один проход
От 200 до 400
1
Ширина пропила, мкм
210
От 300 до 500
Минимальная толщина
отрезаемой пластины,
мкм
200
350
Выход пластин толщиной 700 мкм, шт.
220 на 20 см
слитка
180 на 20 см слитка
Максимальный диаметр
монокристалла, мм
От 200 и выше
До 200
36
Царапание / резание
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 4
Параметр
Увеличение сквозного
выхода пластин на 1 кг
слитка или на единицу
длины слитка, шт.
Соотношение производительности станков для
многопроволочной резки и дисковой резки при
годовом производстве
пластин в 2 млн шт.
Многопроволочная
резка
Резка АКВР
1,22–1,31
–
1 станок
10 станков
Еще одной новой операцией в технологии производства пластин кремния диаметром 200 мм и более является формирование
фаски на пластинах с ориентационной зарубкой.
Одной из особенностей процесса изготовления пластин кремния диаметром 200 мм и более является замена процесса двустороннего шлифования (ДСШ) свободным абразивом на одностороннее шлифование связанным абразивом. Внедрение нового метода в технологию микроэлектроники идет очень быстрыми темпами.
Во всех станках для врезного шлифования исключается механизм съема материала, связанный с хрупким разрушением приповерхностного слоя, а реализуется механизм съема материала, связанный с пластической деформацией приповерхностного слоя,
близкий к механизму пластической деформации, реализуемому
при обработке по методу алмазного точения.
Если создать станок со столом высокой жесткости, отсутствием вибраций и с прецизионной и регулируемой скоростью подачи,
то возможно получение пластин кремния с параметром TTV менее
0,5 мкм и глубиной дефектного приповерхностного слоя менее
0,5 мкм. В таком варианте будет возможно исключить операцию
травления (щелочного и/или кислотного) и перейти непосредственно к операции XMП.
Хотя врезное шлифование, в отличие от группового ДСШ, является индивидуальным (и, значит, более дорогим) способом обработки, эти потери компенсируются улучшением достигаемых
характеристик плоскостности, микрошероховатости и уменьшени37
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ем глубины повреждений, а также исключением операции травления и снижением расходов на дорогостоящие химикаты высокой
(электронной) степени чистоты. Другая возможность снижения
затрат на единицу производимой продукции при применении
врезного шлифования заключается в относительной легкости его
полной автоматизации.
Перспективные технологии обработки пластин диаметром
200 мм и более предусматривают исключение любых источников
загрязнения рабочей поверхности пластины посторонними твердыми частицами. Это же требование предъявляется и к обратной поверхности, нерабочему краю пластины, к растворам и технологическим жидкостям, газам. Поэтому в перспективе качество обработки
нерабочей поверхности, периферии пластины должно приблизиться
к качеству обработки рабочей поверхности пластины.
Высокие требования к качеству поверхности полированных
кремниевых пластин диаметром 200 мм и более, в том числе и по
поверхностной концентрации металлов, вынуждают резко изменить стратегию окончательной очистки поверхности пластин после операции ХМП. Стандартные методы очистки слишком дороги, так как требуют утилизации большого объема дорогостоящих
химических реактивов и большого количества экологически вредных отходов. Кроме того, очистка в реактивах производится при
повышенных температурах (около 70°С), поэтому летучие составляющие реактивов (например, перекись водорода Н2О2) разлагаются и испаряются. Следствием этого являются изменение качественных и количественных показателей процесса очистки, необходимость стабилизации реактивов путем постоянной подпитки перекисью водорода. Вследствие этих причин, а также необходимости удаления с поверхности пластин не только тяжелых переходных металлов, но и щелочно-земельных металлов и появилась новая стратегия очистки.
В настоящее время зарубежные фирмы используют различные
способы геттерирования точечных дефектов на различных стадиях
технологического цикла: от получения слитка до формирования
всей микросхемы на пластине. Американские фирмы Мocorola и
Wackег выпускают подложки кремния с нарушенным (т. е. геттерным) слоем с нерабочей стороны, фирма IВМ использует лазерное
облучение и ударную обработку нерабочей стороны пластины,
фирмы Bell Labs и Fairchild применяют имплантацию ионов
инертных газов. Введение в технологический маршрут изготовле38
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ния схемы динамической памяти геттерирования с помощью диффузионного слоя фосфора позволило фирме Direzione Tecnica
(Италия) увеличить время хранения почти на порядок. Фирма
«Хитачи» (Япония) использует методы геттерирования точечных
дефектов и примесей в газовую фазу.
Для перечисленных методов геттерирования основной трудностью является обеспечение воспроизводимости величины и глубины введенных нарушений, чтобы исключить возможность распространения дислокаций от обратной стороны пластины до рабочей
при высокотемпературных операциях.
Это же относится и к пескоструйной обработке обратной стороны пластины. Для введения воспроизводимых нарушений с обратной стороны пластины предложен метод звуковых ударных напряжений, который основан на создании акустической вибрации
сферических объектов, например вольфрамовых шариков диаметром 12 мм, на поверхности пластины. Получаемые однородные
нарушения на обратной стороне пластины позволяют управлять
потоком межузельных атомов при высокотемпературной обработке и улучшают выход годных кристаллов микросхем. Воспроизводимость нарушений, введенных этим методом, исключает их распространение до рабочей стороны пластины.
Наиболее распространены методы геттерирования примесных
точечных дефектов нарушенной нерабочей стороной и собственных точечных дефектов в газовую фазу. Методы геттерирования с
помощью обработки рабочей стороны пластины рассматриваются
как более перспективные, так как позволяют с помощью слабо нарушенных областей (геттеров) очищать от точечных дефектов
расположенные рядом активные части приборов.
В последнее время интенсивно исследуется метод внутреннего
геттерирования, согласно которому внутри пластины формируется
слой преципитатов и объемных дефектов упаковки (ОДУ). Пока
остаются неясными многие особенности формирования внутреннего геттера, но экономичность последнего позволяет надеяться на
его широкое внедрение.
Таким образом, приведенные данные свидетельствуют о том,
что переход к использованию для изготовления СБИС пластин
кремния диаметром 200 мм и более требует не только модернизации
имеющегося, но и разработки нового, нестандартного оборудования
для обработки пластин диаметром (более 150 мм) с одновременным
освоением новых технологий в соответствии с современными тенденциями в области обработки кремния для микроэлектроники.
39
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. ТРЕБОВАНИЯ К ПЛАСТИНАМ ИЗ САПФИРА
Характеристики, рассматриваемые в данном разделе, относятся
к четырем типоразмерам полированных с одной стороны пластинподложек, изготовленных из монокристаллического сапфира1 высокой чистоты и используемых для выращивания на них кремния с
последующим изготовлением полупроводниковых устройств.
Стандартизованными характеристиками этих пластин являются
размеры и кристаллографическая ориентация. При поставке пластин в спецификации иногда требуется указать дополнительные
физические свойства, а также наличие поверхностных дефектов.
Пластины, полированные с двух сторон или не полированные
либо имеющие эпитаксиальный слой, в международных стандартах не рассматриваются. Тем не менее поставщики и потребители
таких пластин могут использовать указанные ниже характеристики в качестве полезного руководства для определения своих требований.
При решении спорных вопросов для пластин диаметром 2,0 и
3,0 дюйма (1 дюйм = 2,54 см) должны применяться единицы измерения США, метрическая система единиц (система СИ) применяется для пластин диаметром 100 мм и более.
Заказы на поставку сапфировых пластин должны включать
следующие пункты:
1) номинальный диаметр;
2) метод выращивания кристалла;
3) ориентация поверхности;
4) процедура приемки партии;
5) требования к сертификации (при необходимости);
6) требования к упаковке и маркировке.
Применяемые при производстве пластин из сапфира ориентации монокристалла представлены на рис. 15.
Стандартизованные схемы расположения базового и вспомогательного срезов представлены на рис. 16. Необходимо, чтобы базовый срез был расположен под углом 45 ± 2° против хода часовой
стрелки по отношению к проекции оси С на плоскость R, а вспомогательный срез (не обязательный) – под углом 90 ± 2° против
хода часовой стрелки по отношению к базовому срезу вдоль плоскости R. Ось а лежит между базовым и вспомогательным срезами,
_____________
1
Сапфир – монокристалл Al2O3, имеющий определенную кристаллографическую ориентацию, которая обеспечивает эпитаксиальное осаждение кремния.
40
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
являясь биссектрисой соответствующего угла 90°. Проекция оси С
лежит под углом 45° по ходу часовой стрелки относительно базового среза и под углом 90° по ходу часовой стрелки относительно а.
Метод выращивания кристалла (по Чохральскому, по Кирополосу и т. д.) по изготовленным пластинам установить трудно, поэтому процедура идентификационных испытаний или сертификации способов выращивания, как правило, согласовывается поставщиком и потребителем.
Рис. 15. Кристаллографические характеристики сапфира:
a – основные кристаллографические плоскости; б – основные
кристаллографические направления; в – ориентация базового среза
41
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис. 16. Расположение базового и вспомогательного срезов:
a – индексы Миллера и символы ориентации; б – расположение срезов
(вид на рабочую поверхность – поверхность под эпитаксию)
К партии пластин по требованию потребителя, изложенному в
контракте или заказе, при их поставке должен быть приложен сертификат изготовителя или поставщика вместе с протоколом испытания, подтверждающий, что материал был изготовлен и испытан
в соответствии с установленными требованиями.
Процедуры приемки партии сапфировых пластин соответствуют стандарту ASTM E122, если не оговорено иное. Приемлемый
42
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
размер выборки образцов из каждой партии определяется стандартом ANSI/ASQC Z1.4–1993. Каждому показателю качества приписаны свой уровень приемки (AQL) и величина общего процента
дефектности в партии (LTPD).
Кроме того, выборочно могут быть оговорены и проконтролированы следующие параметры:
1) совершенство кристалла;
2) уровни дефектности и загрязненности поверхности;
3) примеси, отличающиеся от обычных легирующих элементов;
4) уровень качества отделочной обработки поверхности;
5) способ отделочной обработки нерабочей стороны;
6) наличие вспомогательного среза;
7) требования по плоскостности.
Способы и процедуры контроля параметров пластин из сапфира представлены в табл. 5. Параметры плоскостности полированных пластин из сапфира должны соответствовать приведенным
ниже:
Класс точности
Отклонение от плоскостности
TIR, мкм, не более
I.................................................................
25
II ...............................................................
14
III ..............................................................
10
IV ..............................................................
8
V ...............................................................
6
Таблица 5
Соответствие параметров пластин из сапфира
международным стандартам
Параметр
Регламентирующий документ
Диаметр пластины
Толщина в центральной точке
Длина среза
Прогиб (BOW)
Общая разнотолщинность (TTV)
Стандарт ASTM F613
Стандарт ASTM F533
Стандарт ASTM F 671
Стандарт ASTM F534
Соглашение между поставщиком
и потребителем
Стандарт ASTM F26
Соглашение между поставщиком
и потребителем
То же
Ориентация среза
Общая разнотолщинность (TTV)
Совершенство кристалла
43
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 5
Параметр
Поверхностные дефекты
и загрязнения
Посторонние примеси
Отделочная обработка
поверхности
Отделочная обработка
нерабочей стороны
Плоскостность
Регламентирующий документ
Стандарт ASTM: F523, F21, F22,
F612, F154, F24
Соглашение между поставщиком
и потребителем
То же
»
»
Стандартизованные пределы дефектности сапфировых пластин
приведены в табл. 6. Требования к геометрическим параметрам
пластины приведены в табл. 7.
Таблица 6
Пределы дефектности пластин из сапфира
№
п/п
1
2
3
4
5
6
44
Параметры
Предел дефектности, не более
Рабочая поверхность пластины
2
Царапины :
3
количество
R/2 (R – радиус
длина
пластины)
2,3
Точки , шт., для пластин
диаметром:
4
2 дюйма
9
3 дюйма
15
100 мм
4
Не допускается
Помутнение
Загрязненность по участкам
для пластин диаметром:
4
2 дюйма
9
3 длюйма
15
100 мм
Не допускается
Загрязненность по площади
5
2
Сколы по краям , шт. Длина
скола, мм:
3
в радиальном направлении
6,35
единичная по окружности
6,35
накопленная по окружности
Условия
освещения
Интенсивное
»
»
Рассеянное
»
Рассеянное
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Окончание табл. 6
№
п/п
7
8
9
10
11
12
13
14
Параметры
6
Трещины, морщины
2,7
Кратеры
2
Впадины
2,7
Канавки
2,7
Выступы
2
«Апельсиновая корка»
Следы от абразивного
2,7
инструмента
Следы от ударов
Предел дефектности, не более
Условия
освещения
Не допускается
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»
»
Нерабочая поверхность пластины
5
15
Сколы
16
Трещины, морщины6
17
Загрязнения по площади
Не регламентируется
Не допускается
Рассеянное
»
»
»
1
Уровень по качеству не более 4 % накопленных бракованных пластин.
2
Кольцевая зона по наружному контуру шириной 4 мм исключается
из применения.
3
90% площади пластины перед обследованием должны быть свободными от загрязнения после обработки. Оставшаяся часть пластины может
иметь светоотражающие частицы в пределах, установленных для точек, –
см. п.2 таблицы.
4
Помутнение относится только к эпитаксиальному кремнию, а не к
состоянию полированной пластины сапфира.
5
Все сколы должны быть притуплены. Сколы размером менее 0,4 мм
не должны приниматься в расчет.
6
Трещины и морщины наблюдаются на сапфировых пластинах как
следствие разломов или расслоений вдоль плоскостей спайности.
7
Эти эффекты не наблюдаются на пластине КНС «кремний на сапфире», для описания которых сохраняются те же термины, что и для описания обычных кремниевых пластин
45
51,05
380
17,52
9,65
38
–
51
50,55
280
14,23
6,35
–
–
–
2 дюйма
min
max
–
–
–
75,95
380
19
9,6
51
–
76
76,45
480
25
12,7
3 дюйма
min
max
–
–
–
99
500
30,0
16,0
40
40
50
101
550
35,0
20,0
100 мм
min
max
–
–
–
124
600
40,0
18,0
60
60
50
126
650
45,0
22,0
125 мм
min
max
Диаметр рабочей поверхности
–
–
–
149
650
55,0
35,0
min
60
60
60
151
700
60,0
40,0
150 мм
max
Таблица 7
Примечания:
1. Ориентация рабочей поверхности (1102) ± 2°.
2. Шероховатость нерабочей поверхности Ra = 0,8 мкм.
3. Рабочая поверхность пластины должна быть отполирована с обеспечением возможности эпитаксиального выращивания кремния. Качество этой поверхности может быть определено оптическим исследованием при 70-кратном
увеличении с использованием интерференционной контрастной микроскопии Намарского после травления пластины в
гидрооксиде калия при температуре 310 °С в течение 1…3 мин. Наблюдаемую картину сравнивают с эталонными фотографиями.
Диаметр пластины, мм
Толщина в центре, мкм
Длина базового среза, мм
Длина вспомогательного
среза, мм
Прогиб (BOW)
Коробление (WARP)
Разнотолщинность (TTV), мм
Параметр
Требования к геометрическим параметрам сапфировых пластин
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
При отсутствии каких-либо особых требований все пластины
должны переноситься, контролироваться и упаковываться таким
образом, чтобы исключить сколы, царапины и загрязнения, обеспечить надежную защиту от повреждений при транспортировке.
5. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПЕРЕХОДА
К ПЛАСТИНАМ БОЛЬШИХ ДИАМЕТРОВ
В 1995 г. в рамках консорциума Sematech была начата реализация Международной инициативы по производству пластин диаметром 300 мм – I300 I. В рамках этой программы сотрудничали
следующие фирмы: AMD, Lucent Technologies, IBM, Intel,
Motorola, Texas Instruments (CШA), Infineon Technologies, Philips,
ST Microelectronics (Европа), Hyundai, LG Semicon, Samsung
(Ю. Корея) и TSMC (Тайвань). В это же время ведущие японские
фирмы создали аналогичную программу – SELET.
В 1998 г. было начато сооружение совместного (Infineon Technologies и Motorola) предприятия по обработке пластин диаметром
300 мм, которое уже через год успешно приступило к производственной деятельности.
К концу 2000 г. в мире действовало до 17 заводов по обработке
300-миллиметровых пластин (рис. 17).
Рис. 17. Структура предложения обработанных пластин по их диаметру:
a – в 1997 г.; б – в 2003 г.
Освоение обработки пластин диаметром 300 мм вызвано,
прежде всего, экономическими соображениями. На 300-миллимет47
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ровой пластине, по сравнению с 200-миллиметровой, можно разместить почти в 2,5 раза больше схем, и, в конечном итоге, как
показывает опыт Infineon Technologies, удельные затраты на производство одной СБИС долговременного оперативного запоминающего устройства емкостью 256 Мбит на 30 % ниже, чем для
аналогичной структуры, производимой на 200-миллиметровых
пластинах.
Существуют и другие оценки эффективности обработки 300миллиметровых пластин по сравнению с пластинами диаметром
200 мм. Так, по данным журнала Solid State Technology, если взять
за основу допущения, что:
– сопоставимые линии выпускают 20 тыс. пластин в месяц;
– при обработке 300-миллиметровых пластин по сравнению с
200-миллиметровыми затраты на средства обработки пластины
увеличиваются в 1,3 раза;
– стоимость пластины увеличивается в 3,7 раза, то, в зависимости
от площади формируемого кристалла, его себестоимость на
300-миллиметровой пластине может снизиться более чем на 30 %
(табл. 8).
Таблица 8
Сопоставление числа и себестоимости кристаллов разной площади,
размещаемых на пластинах диаметром 200 и 300 мм
Параметр
Число кристаллов пло2
щадью 280 мм
Уменьшение себестоимости одного кристалла
2
площадью 280 мм
Число кристаллов пло2
щадью 350 мм
Уменьшение себестоимости одного кристалла
2
площадью 350 мм
Диаметр пластины, мм
Изменение, %
200
300
85
208
+ 145
–
–
– 40,8
68
163
+ 140
–
–
– 39,6
В настоящее время 300-миллиметровые пластины из кремния
производятся на предприятиях фирмы Intel по технологии, обеспечивающей топологическую норму пластин 65 нм. Переход на изготовление 300-миллиметровых полупроводниковых пластин по
48
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
этой технологии позволяет наращивать мощность вычислительных
устройств, расширяя их функциональные возможности одновременно со снижением стоимости. Совокупная производственная
мощность пяти предприятий, производящих пластины из кремния
диаметром 300 мм, аналогична мощности десяти предприятий,
продолжающих изготовление пластин диаметром 200 мм.
Укрупнение пластин снижает не только удельную себестоимость микросхем, но и потребление ресурсов в производственном
процессе. Так, удельное потребление энергии и воды на предприятии, изготовляющем 300-миллиметровые пластины, на 40 %
ниже, чем на аналогичном предприятии по производству 200миллиметровых пластин.
49
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ........................................................................................................ 3
1. Требования к полированным пластинам монокристаллического
кремния ...................................................................................................... 4
2. Особенности описания и основные группы геометрических
параметров пластин .................................................................................. 17
2.1. Геометрический рельеф поверхности пластины в прижатом
состоянии............................................................................................ 18
2.2. Толщина и однородность распределения толщины
по площади пластины........................................................................ 26
2.3. Геометрическая форма пластины в свободном состоянии
и рельеф поверхности........................................................................ 27
2.4. Доля годной поверхности ................................................................. 30
3. Новое в технологии обработки кремниевых пластин............................ 30
4. Требования к пластинам из сапфира ....................................................... 40
5. Экономическая целесообразность перехода к пластинам
больших диаметров................................................................................... 47
50
Документ
Категория
Другое
Просмотров
732
Размер файла
1 542 Кб
Теги
современные, кремниевые, требования, пластинам
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа