ЕГЭ
Роль глубины нарушенного слоя. Формирование нарушенных слоев в кристаллах кремния, имплантированных протонами дьячкова ирина геннадьевна. Назначение и применение ионной имплантации

Роль глубины нарушенного слоя. Формирование нарушенных слоев в кристаллах кремния, имплантированных протонами дьячкова ирина геннадьевна. Назначение и применение ионной имплантации

Для получения качественных приборов и ИС необходимы однородные полупроводниковые пластины с поверхностью, свободной от дефектов и загрязнений. Приповерхностные слои пластин не должны иметь нарушений кристаллической структуры. Очень жесткие требования предъявляют к геометрическим характеристикам пластин, особенно к их плоскостности. Плоскостность поверхности имеет определяющее значение при формировании структур приборов методами оптической литографии. Важны и такие геометрические параметры пластина как прогиб, непараллельность сторон и допуск по толщине. Полупроводниковые материалы, обладающие высокой твердостью и хрупкостью, не поддаются механической обработке с применением большинства обычных методов, таких, как точение, фрезерование, сверление, штамповка и т. п. Практически единственным методом, применимым для механической обработки полупроводниковых материалов, является обработка с применением связанных или свободных абразивов

Для обеспечения требуемых параметров разработаны базовые технологические операции изготовления пластин. К базовым операциям относят предварительную подготовку монокристалла, разделение его на пластины, шлифование и полирование пластины, формирование фасок, химическое травление пластин, геттерирование нерабочей стороны пластины, контроль геометрии и поверхности пластин и упаковка в тару.

Предварительная подготовка слитка заключается в определении кристаллографической ориентации слитка, калибровке его наружного диаметра до заданного размера, стравливании нарушенного слоя, изготовлении базовых и дополнительных срезов, подготовке торцовых поверхностей с заданной кристаллографической ориентацией. Затем разделяют слиток на пластины определенной толщины. Целью последующего шлифования является выравнивание поверхности отрезанных пластин, уменьшение разброса их толщин, формирование однородной поверхности. Фаски с острых кромок пластин снимают для того, чтобы удалить сколы, образующиеся при резке и шлифовании. Кроме того, острые кромки пластин являются концентраторами напряжений и потенциальными источниками структурных дефектов, которые могут возникнуть при перекладывании пластин и прежде всего при термических обработках (окислении, диффузии, эпитаксии). Химическим травлением удаляют нарушенные приповерхностные слои, после чего полируют обе стороны пластин или ту сторону, которая предназначена для изготовления структур приборов. После полирования пластины очищают от загрязнений, контролируют и упаковывают.

При изготовлении приборов способами наиболее распространенной планарной технологии и ее разновидностей используют только одну, так называемую рабочую сторону пластины. Учитывая значительную трудоемкость и высокую стоимость операций по подготовке высококачественных пластин с бездефектной поверхностью, некоторые варианты изготовления пластин предусматривают несимметричную, т. е. неодинаковую, обработку их сторон. На нерабочей стороне пластины оставляют структурно–деформированный слой толщиной 5-10 мкм, который обладает свойствами геттера, т. е. способностью поглощать пары и газы из корпуса полупроводникового прибора после его герметизации за счет очень развитой поверхности. Дислокационная структура слоя, обращенная к рабочей поверхности пластины, обладает способностью притягивать и удерживать структурные дефекты из объема полупроводникового кристалла, что значительно повышает надежность и улучшает электрофизические параметры приборов. Однако несимметричная обработка сторон пластин создает опасность их изгиба. Поэтому глубину нарушений на нерабочей стороне следует строго контролировать.

Использование в полупроводниковом производстве пластин стандартизованных размеров позволяет унифицировать оборудование и оснастку на всех операциях, начиная от их механической обработки и заканчивая контролем параметров готовых структур. В отечественной и зарубежной промышленности нашли применение пластины диаметром 40, 60, 76, 100, 125, 150 и 200 мм. Для получения пластины заданного диаметра осуществляют калибровку выращенного проводникового монокристал- лического слитка.

Ориентацию или поиск заданной кристаллографической плоскости монокристалла и определение положения этой плоскости относительно торца слитка производят на специальном оборудовании оптическим или рентгеновским методами. В основу оптического метода ориентации монокристаллов положено свойство протравленных поверхностей отражать световые лучи в строго определенном направлении. При этом отражающая плоскость всегда совпадает с кристаллографическими плоскостями типа {111}. Отклонение торца слитка от кристаллографической плоскости (111) приводит к отклонению отраженного луча на матовом экране, характери-зующееся углом разориентации торца от плоскости (111). Отраженный луч образует на экране световые фигуры, форма которых определяется конфигурацией ямок, вытравленных на торце слитка селективными травителями. Типичной световой фигурой для слитка, выращенного в направлении , является трехлепестковая звезда, а для слитка, выращенного в направлении , – четырехлепестковая звезда.

Калибровку производят способом наружного круглого шлифования алмазными кругами на металлической связке (рис. 1.1). При этом используют как универсальные круглошлифовальные станки, так и специализированные станки, позволяющие производить калибровку с малыми радиальными силами резания. Если при калибровке кремниевого слитка на универсальном круглошлифовальном станке глубина нарушенного слоя достигает 150-250 мкм, то применение специализированных станков обеспечивает снижение глубины нарушенного слоя до 50-80 мкм. Калибровку чаще всего проводят в несколько проходов. Сначала за первые черновые проходы снимают основной припуск алмазными кругами зернистостью 160-250 мкм, затем осуществляют чистовую обработку алмазными кругами зернистостью 40-63 мкм.

Рисунок 1.1 – Схема калибровки слитка

После калибровки цилиндрической поверхности на слитке выполняют базовый и дополнительные (маркировочные) срезы. Базовый срез делают для ориентации и базирования пластин на операциях фотолитографии. Дополнительные срезы предназначены для обозначения кристаллографической ориентации пластин и типа проводимости полупроводниковых материалов. Ширины базового и дополнительных срезов регламентированы и зависят от диаметра слитка. Базовый и дополнительные срезы изготовляют шлифованием на плоскошлифовальных станках чашечными алмазными кругами по ГОСТ 16172-80 или кругами прямого профиля по ГОСТ 16167-80. Зернистость алмазного порошка в кругах выбирают в пределах 40/28-63/50 мкм. Один или несколько слитков закрепляют в специальном приспособлении, ориентируя необходимую кристаллографическую плоскость параллельно поверхности стола станка. В зону обработки подают смазочно-охлаждающую жидкость (например, воду).

Срезы можно также изготовлять на плоскодоводочных станках с применением абразивных суспензий на основе.порошков карбида кремния или карбида бора с размером зерен 20-40 мкм. Шлифование свободным абразивом позволяет уменьшить глубину нарушенного слоя, но при этом снижается скорость обработки. Поэтому наиболее широко в промышленности распространено шлифование цилиндрической поверхности и срезов алмазными кругами.

После шлифования слиток травят в полирующей смеси азотной, плавиковой и уксусной кислот, удаляя нарушенный слой. Обычно стравливают слой толщиной 0,2-1,0 мм. После калибровки и травления допуск на диаметр слитка составляет 0,5 мм. Например, слиток с номинальным (заданным) диаметром 60 мм может иметь фактический диаметр 59,5-60,5 мм.

Промышленное получение полупроводниковых монокристаллов представляет собой выращивание близких к цилиндрической форме слитков, которые необходимо разделить на заготовки-пластины. Из многочисленных способов разделения слитков на пластины (резка алмазными кругами с внутренней или наружной режущей кромкой, электрохимическая, лазерным лучом, химическим травлением, набором полотен или проволокой, бесконечной лентой и др.) в настоящее время наибольшее применение нашли резка алмазными кругами с внутренней режущей кромкой (АКВР), набором полотен и бесконечной проволокой.

AКВP обеспечивает разделение слитков достаточно большого диаметра (до 200 мм) с высокой производительностью, точностью и малыми потерями дорогостоящих полупроводниковых материалов. Круг АКВР представляет собой металлический кольцеобразный корпус толщиной 0,05-0,2 мм, на внутренней кромке которого закреплены алмазные зерна, осуществляющие резание. Корпус изготовляют из высококачественных коррозионно-стойких хромоникелевых сталей с упрочняющими легирующими добавками. В отечественной промышленности для корпусов используют сталь марки 12Х18Н10Т. Размер алмазных зерен, закрепленных на внутренней кромке, выбирают в зависимости от физико-механических свойств разрезаемого полупроводникового материала (твердости, хрупкости, способности к адгезии, т. е. прилипанию к режущей кромке). Как правило, для резки кремния целесообразно использовать алмазные зерна с размером основной фракции 40-60 мкм. Зерна должны быть достаточно прочными и иметь форму, близкую форме правильных кристаллов. Германий и сравнительно мягкие полупроводниковые соединения типа А 3 В 5 (арсенид галлия, арсенид индия, антимонид индия, фосфид галлия и др.) целесообразно резать алмазами, размер зерен основной фракции которых 28-40 мкм. Требования к прочности этих зерен не столь высоки, как при резке кремния. Монокристаллы сапфира, корунда, кварца, большинства гранатов разделяют высокопрочными кристаллическими алмазами размер зерен основной фракции которых 80-125 мкм.

Обязательным условием качественного разделения слитка на пластины является правильная установка и закрепление круга AКBP. Высокая прочность материала корпуса круга и его способность к значительному вытягиванию дают возможность натянуть круг на барабан с достаточной жесткостью. Жесткость круга непосредственно влияет на точность и качество поверхности пластин, на стойкость круга, т. е. срок его службы, и ширину пропила. Недостаточная жесткость приводит к возникновению дефектов геометрии пластин (неплоскостности, прогиба, разброса по толщине) и увеличению ширины пропила, а чрезмерная жесткость - к быстрому выходу круга из строя из-за разрыва корпуса.

Метод резки монокристаллов на пластины металлическим диском с внутренней алмазной режущей кромкой (рис.1.2) в настоящее время практически вытеснил все ранее применявшиеся методы резки: дисками с наружной алмазной режущей кромкой, полотнами и проволокой с применением абразивной суспензии. Этот способ получил наибольшее распространение потому, что он обеспечивает более высокую производительность при меньшей ширине реза, в результате чего потери полупроводникового материала снижаются почти на 60 % по сравнению с резкой диском с наружной режущей кромкой.

Режущим инструментом станка является тонкое (толщиной 0,1-0,15 мм) металлическое кольцо, на кромку 3 отверстия нанесены алмазные зерна размером 40-60 мкм. Круг 2 растягивают и закрепляют на барабане 1, который приводят во вращение вокруг своей оси. Слиток 4 вводят во внутреннее отверстие круга АКВР на расстояние, равное сумме заданной толщины пластины и ширины пропила. После этого производят прямолинейное перемещение слитка относительно вращающегося круга в результате чего отрезается пластина.

Отрезанная пластина 6 может падать в сборный лоток 7 или же удерживаться после полного прорезания слитка на оправке 5 клеящей мастикой. После сквозного прорезания слитка его отводят в исходное положение и круг выходит из образованной прорези. Затем слиток снова перемещают на заданный шаг во внутреннее отверстие круга и повторяют цикл отрезания пластины.

Инструмент крепят винтами на конце шпинделя вращающегося с частотой 3-5 тыс. об/мин, к барабану (рис.1.3) с помощью колец, имеющих сферический выступ на одном и соответствующую впадину на другом, чем обеспечивается необходимый предварительный натяг диска. Окончательное натяжение диска обеспечивается при установке его на барабан /. Стягивающими винтами 7 уменьшают зазор между буртиком 2 барабана 1и зажимными

Рисунок 1.2 – Схема резки диском Рисунок 1.3 – Барабан для закрепле-

с внутренней кромкой ния алмазного диска

кольцами 5. Режущий диск 6при этом упирается в опорный выступ 4 барабана и растягивается в радиальном направлении. Между зажимными кольцами и буртиком барабана устанавливают регулирующие прокладки 3, которые ограничивают перемещение колец 5 и предохраняют диск от разрыва из-за чрезмерного натяжения. Равномерного натяжения диска достигают последовательным постепенным затягиванием диаметрально расположенных винтов 7. На некоторых моделях машин, например «Алмаз-бМ», натяг диска обеспечивается закачкой жидкости (например глицерина) в полость между зажимными кольцами.

Все виды конструктивных компоновок выпускаемых в настоящее время станков для резки слитков полупроводниковых материалов можно разделить на три группы:

С горизонтальным расположением шпинделя и суппортом, осуществляющим как дискретное перемещение слитка на.толщину отрезаемой пластины, так и подачу резания (рис. 1.4, а);

С вертикальным расположением шпинделя и суппортом, также осуществляющим и дискретное перемещение слитка на толщину отрезаемой пластины, и подачу резания (рис. 1.4, б);

С горизонтальным расположением шпинделя, осуществляющим подачу резания за счет качания его вокруг некоторой оси, и суппортом, осуществляющим только дискретное перемещение слитка на толщину отрезаемой пластины (рис. 1.4, в).

Станки первого типа, к которым относятся модели 2405, «Алмаз-4», Т5-21 и Т5-23, появились в промышленности раньше других и являются наиболее распространенными. При такой компоновке горизонтально расположенный шпиндель вращается в подшипниках относительно малого диаметра, что позволяет сравнительно легко обеспечить необходимую частоту вращения, прецизионность и виброустойчивость узла. Недостатком такого типа компоновки станков является достаточно интенсивный износ направляющих суппорта и, как следствие этого, - потеря точности.

Рисунок 1.4 – Схемы конструктивных компоновок станков для резки слитков алмазными кругами с внутренней режущей кромкой:

1 – клиноременная передача; 2 – вал шпинделя; 3 – подшипник; 4 – барабан;

5 – алмазный диск; 6 – слиток; 7 – державка; 8 – поворотный рычаг; 9 – ось

Для обеспечения необходимых геометрических размеров отрезанных полупроводниковых пластин, их плоскопараллельности и соответствия заданным размерам, а также уменьшения глубины нарушенного слоя пластины подвергаются шлифованию и полированию. Процесс шлифования представляет собой обработку пластин на твердых доводочных дисках - шлифовальниках (из чугуна, стекла, латуни и т. д.) абразивными микропорошками зернистостью от 28 до 3 мкм или алмазными шлифовальными кругами с зернистостью от 120 до 5 мкм. Погрешности формы пластин (неплоскостность, клиновидность и т. д.), возникшие в процессе резки слитка, исправляют в процессе шлифования. В результате шлифования получают пластины правильной геометрической формы с шероховатостью поверхности Н а 0,32-0,4 мкм.

На рис.1.5 приведена классификация шлифовальных станков.Шлифовальные станки полупроводниковых пластин и кристаллов состоят из следующих основных элементов. Hа шлифовальном круге, изготавливаемом, из стекла иди чугуна, имеются три круглых сепаратора - кассеты с отверстиями (гнездами) для загрузки полупроводниковых пластин. На круг в процессе шлифовки непрерывно подаётся абразивная суспензия. При вращении шлифовального круга сепараторы-кассеты вращаются вокруг своей оси с помощью роликов под действием силы, возникающей за счет различной окружной скорости по радиусу шлифовальника. Пластины загруженные в гнезда сепаратора-кассеты, совершают при шлифовке сложное движение, которое складывается из вращения шлифовального круга, вращения сепаратора-кассеты и вращения пластин внутри гнезда сепаратора.

Рисунок 1.5 – Классификация шлифовальных станков

Такое движение даёт возможность снимать слой материала равномерно со всей плоскости пластины с достаточной для полупроводниковых приборов плоскопараллельностью и точностью. Разброс по толщине на пластине составляет 0.005-0.008 мм., а разброс по плоскопараллельности - 0.003-0.004 мм. Сошлифовка проводникового материала зависит от прочности абразивных зёрен: так, при одинаковой величине зёрен более глубокие выколи дают абразивные материалы с большей микротвердостью. Поэтому в зависимости от свойств обрабатываемого материала, степени чистоты поверхности и целевого назначение необходимо выбирать абразив соответствующей дисперсности. Практически первоначальную шлифовку кристаллов полупроводникового материале осуществляют грубодисперсными порошками карбида бора, а затем - доводят до необходимых размеров и требуемой чистоты поверхности порошками электрокорунда или карбида кремния с зернистостью М14, М10, Ml5.При шлифовке микротвёрдость применяемого абразива должна быть в 2 - 3 раза выше микротвёрдости шлифуемого материала. Этому требованию удовлетворяют электрокорунд, карбид кремния зелёный, карбид бора, алмаз. Частота вращения верхних шпинделей с абразивными кругами 2400 об/мин, а шлифовальных столиков с закрепленными на них обрабатываемыми пластинами - 350 об/мин. Обычно на одной позиции производится предварительное шлифование, а на другой - чистовое. Подача круга осуществляется за счет массы шпинделя. На рис.1.4 представлена схема врезного шлифования.

1 -3 - шлифовальные круги; 4-6- обрабатываемые пластины; 7- стол

Рисунок 1.6 – Схема врезного шлифования

На рис.1.7 представлен внешний вид шлифовального круга с пластинами.

Для полирования пластин могут быть использованы те же станки, что и для шлифования. Для этого на шлифовальниках делают выборки и с помощью внешних и внутренних стальных колец 4 на них натягивают замшу. Для подачи абразивной суспензии в зону полирования в верхнем шлифовальнике и в замше имеются отверстия.

Полирование может быть:

– механическим, которое происходит главным образом за счет микрорезания зернами абразива, пластических деформаций и сглаживания;

– химико-механическим, при котором снятие материала с обрабатываемой поверхности происходит в основном за счет механического удаления образующихся в результате химических реакций мягких пленок. Для химико-механического полирования необходимо несколько большее усилие прижима обрабатываемого изделия к полировальнику, чем при механическом. Схема полуавтомата одностороннего полирования полупроводниковых пластин показана на рис.1.8. Стол 4, на котором размещен съемный полировальник 8, приводится во вращение с частотой 87±10 об/мин от электродвигателя 7 через клиноременную передачу 6 и двухступенчатый редуктор 5.

Рисунок 1.7 – Внешний вид шлифовального круга

Рисунок 1.8–Схема полуавтомата одностороннего полирования пластин.

На верхней части станины станка размещены четыре пневмоцилиндра, на штоках 2 которых шарнирно закреплены прижимные диски 3. Пневмоцилиндры осуществляют подъем, опускание и необходимый прижим пластин к полировальнику. Шарнирное крепление прижимных дисков с приклеенными к ним пластинами позволяет им плотно прилегать (самоустанавливаться) к полировальнику и вращаться вокруг собственных осей, обеспечивая сложное движение полируемых пластин. Станок позволяет обрабатывать пластины диаметром до 100 мм и обеспечивает получение шероховатости обработанной поверхности по четырнадцатому классу.

Снятие фасок с кромок полупроводниковых пластин производят для достижения нескольких целей. Во-первых, для удаление сколов на острых кромках пластин, возникающих при резке и шлифовании. Во-вторых, для предотвращения возможного образования сколов в процессе проведения операций, непосредственно связанных с формированием структур приборов. Сколы, как известно, могут служить источниками структурных дефектов в пластинах при проведении высокотемпературных обработок и лажен являться причиной разрушения пластин. В-третьих, для предотвращения образования на кромках пластин утолщения слоев технологических жидкостей (фоторезистов, лаков), которые после затвердевания нарушают плоскостность поверхности. Такие же утолщения на кромках пластин возникают при нанесении на их поверхность слоев полупроводниковых материалов и диэлектриков.

Формирование фасок производят механическим способом (шлифованием и полированием), химическим или плазмохимическим травлением. Плазмохимическое травление фасок основано на том, что острые кромки в плазме распыляются с большей скоростью, чем другие области пластин, ввиду того, что напряженность электрического поля на острых кромках существенно выше. Этим способом можно получить фаска с радиусом закругления не более 50-100 мкм. Химическое травление обеспечивает больший радиус фасок, однако и химическое, и плазмохимическое травление не позволяют изготовлять фаски различного профиля. Кроме того, травление является плохо управляемым и контролируемым процессом, что ограничивает его широкое промышленное применение. В производстве чаще всего используют способ формирования фасок профильным алмазным кругом. Этим способом могут быть изготовлены фаски разнообразной формы (рис. 1.9, а-в). На практике чаще всего формируют фаски, форма которых показана на рис. 1.9, а. В процессе обработки пластина закрепляется на вакуумном столике станка и вращается вокруг своей оси. Частота вращения пластины 10-20 об/мин, алмазного круга 4000-10000 об/мин. Алмазный круг прижимается к пластине с усилием 0,4-0,7 Н. Ось вращения круга перемещается относительно оси вращения вакуумного столика так, чтобы обработке полупроводниковые соединения шлифуют при давлении в 1,5-2,5 раза меньшем, чем кремний. В процессе шлифования пластины периодически подвергают визуальному осмотру и контролю по толщине.

Рисунок 1.9 – Разновидности фасок

После механической обработки кристаллическая решетка на поверхности полупроводниковых пластин разрушается, появляются трещины и риски в материале и различные загрязнения. Для удаления нарушенного поверхностного слоя полупроводникового материала применяют химическое травление, протекающее при контакте подложки с жидкой или газообразной средой.

Процесс химического травления - это химическая реакция жидкого травителя с материалом пластины с образованием растворимого соединения и последующим его удалением. В технологии полупроводникового производства обычно химическую обработку называют травлением, а химико-динамическую - полирующим травлением. Химическое травление полупроводниковых материалов проводят для того, чтобы удалить нарушенный слой. Оно характеризуется повышенной скоростью травления в местах нарушения кристаллической структуры. При химико-динамическом травлении удаляют более тонкие слои, т. к. его назначение - создать на пластине гладкую поверхность высокого класса чистоты. Состав травителя подбирают так, чтобы полностью подавить его способность к селективному травлению. Процессы химической обработки сильно зависят от температуры, концентрации и чистоты реактивов. Поэтому при проектировании оборудования для химической обработки стремятся стабилизировать основные параметры процесса и этим гарантировать высокое качество травления.

Материалы, применяемые для изготовления рабочих камер, должны быть стойкими к используемым реактивам, а применяемые средства автоматизации - либо малочувствительными (например, пневмо- или гидроавтоматика), либо хорошо защищенными от воздействия паров агрессивных реактивов (в случае применения электроавтоматики).

Установка для химического травления пластин типа ПВХО-ГК60-1 показана на рис. 1.10, а схема устройства рабочих органов приведена на рис. 1.11.

Рисунок 1.10–Установка для химического травления пластин типа ПВХО-ГК60-1:

Рисунок 1.11 – Схема рабочих органов установки ПВХО-ГК60-1

На рабочем столе в пылезащитной камере смонтированы три рабочих ванны 1 -3. В ванне производится обработка кремниевых пластин погружением в холодные или горячие кислоты, или органические растворители. Крышка ванны в процессе обработки герметически закрыта. Обработка производится групповым методом в кассетах по 40-60 пластин в зависимости от их размеров. Из ванны кассеты 6 переносятся в ванну 2 для отмывки деионизованной водой. Степень отмывки контролируется прибором по разности сопротивления деионизованной воды на входе и выходе ванны. После этого в ванне 3 пластины по 10 шт. обрабатываются кистями 4 и сушатся на центрифуге 5.

Химико-динамическое, или полирующее травление производится с помощью устройства, схема которого приведена на рис.1.12. Сущность его заключается в активном перемешивании травителя непосредственно у поверхности обрабатываемой пластины. Благодаря этому обеспечивается быстрое удаление продуктов реакции, равномерное поступление новых порций травителя, неизменность его состава и постоянство теплового режима обработки.

Во фторопластовый барабан 2, вращающийся на оси, наклоненной относительно нормали на угол 15 – 45°, заливают порцию травителя 3. Обрабатываемые пластины 4наклеивают на фторопластовые диски 5, которые помещают на дно барабана пластинами вверх. Барабан приводится во вращение от электродвигателя через редуктор с частотой вращения 120 об/мин. При этом диски 5 перекатываются по его стенке, обеспечивая хорошее перемешивание травителя и создавая условия для равномерного травления.

Рисунок 1.12 – Схема установки полирующего травления

Для полирования кремния применяют также электрохимическое полирование, в основе которого лежит анодное окисление полупроводника, сопровождаемое механическими воздействиями на окисную пленку.

Качество поверхности обработанных пластин определяется шероховатостью и глубиной нарушенного слоя. После резки, шлифовки и полировки пластины отмывают. Состояние поверхности пластин контролируют визуально или под микроскопом. При этом проверяют наличие на поверхности царапин, рисок, сколов, загрязнений и следов воздействия химически активных веществ.

Во всех установках контроль осуществляется оператором с использованием, например, микроскопов типов МБС-1, МБС-2 (с увеличением 88 х) или МИМ-7 (с увеличением 1440 х). Микроскоп МБС-1 благодаря специальному устройству осветителя позволяет наблюдать поверхность в лучах света, падающих под разными углами. На микроскопе МИМ-7 можно наблюдать поверхность в светлом и темном полях. Оба микроскопа позволяют измерять размеры повреждения поверхности специально установленными окулярами. В установках для визуального контроля пластин автоматизируется подача пластин из кассеты на предметный столик под микроскоп и возвращение ее после контроля в соответствующую классификационную кассету. Иногда вместо оптического микроскопа применяют проекторы, позволяющие снизить утомляемость оператора.

Шероховатость поверхности в соответствии с ГОСТ 2789-73 оценивают средним арифметическим отклонением профиля R а или высотой микронеровностей R z . ГОСТ устанавливает 14 классов шероховатости поверхности. Для 6–12 классов шероховатости основной является шкала R а , а для 1–5-го и 13–14-го – шкала R z . Шероховатость измеряют в визуально определенном направлении, соответствующем наибольшим значениям R а и R z .

Для измерений используют стандартные профилографы–профилометры или с помощью сравнительного микроскопа поверхность обработанной пластины визуально сравнивают с эталоном. Современный профилограф-профилометр–универсальный высокочувствительный электромеханический ощупывающий прибор, предназначенный для измерения волнистости и шероховатости металлических и неметаллических поверхностей. Принцип действия прибора состоит в том, что колебательные движения ощупывающей иглы с радиусом закругления 10 мкм вызывают изменения напряжения, которые регистрируются отсчетным устройством. Прибор имеет также записывающий механизм и может выдавать профилограмму поверхности. Для бесконтактного измерения применяют микроинтерферометры МИИ-4 и МИИ-11с пределами измерений R z – 0,005–1 мкм, а также атомно-силовые микроскопы.

Толщина слоя, в котором в результате механической обработки нарушена кристаллическая решетка полупроводника, является одним из критериев качества обработанной поверхности пластины. Толщина нарушенного слоя зависит от размера зерна абразивного порошка, примененного для обработки, и приближенно может быть определена по формуле:

H =K ∙d, (1.1)

где d - размер зерна; К - эмпирический коэффициент (K =1,7 для Si; K =2,2 для Ge).

Толщину нарушенного слоя определяют только в процессе отладки технологии механической обработки пластин. Наиболее простым и удобным методом определения толщины нарушенного слоя является визуальный контроль под микроскопом поверхности после селективного травления.

Для контроля толщины, неплоскостности, непараллельности и прогиба пластин используют стандартные измерительные средства, такие, как индикаторы часового типа или другие аналогичные им рычажно-механические приборы с ценой деления 0,001 мм. В последнее время для контроля геометрических параметров пластин все чаще начинают применять бесконтактные пневматические или емкостные датчики. С их помощью можно быстро производить измерения, не подвергая пластину риску загрязнения или механического повреждения.

Значение глубины и окультуренности пахотного слоя почвы для растений.

Мощность пахотного слоя почвы - один из показателей плодородия и ее окультуренности. Чем она больше, тем выше ее плодородие и урожайность сельскохозяйственных культур.

Получение высоких и устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур возможно только при условии бесперебойного и полного удовлетворения потребностей растений в воде и пище. Вся пища (кроме углекислоты воздуха) и вода поступают в растение через корни из почвы. Понятно поэтому то исключительное влияние, которое уделяется в земледелии созданию наиболее благоприятных почвенных условий для роста и развития сельскохозяйственных растений. Все агротехнические приемы, из которых слагаются системы обработки почвы и применения удобрений в севообороте, направлены в конечном счете на это. Под влиянием агротехнических мероприятий, осуществляемых при сельскохозяйственном использовании почвы, ее свойства существенным образом меняются. Непосредственное воздействие приемов обработки и применение удобрений на состояние и свойства почвы ограничиваются верхним ее слоем определенной мощности. Он постоянно подвергается воздействию почвообрабатывающих орудий. Рыхление и оборачивание этого слоя орудиями почвообработки обеспечивает более сильное влияние на его свойства. Вносимые в почву органические и минеральные удобрения распределяются, в этом слое почвы отмечается интенсивная деятельность почвенных микроорганизмов, которым принадлежит ведущая роль в жизни почвы, создании условий ее плодородия.

На старопахотных дерново-подзолистых почвах особенно отчетливо видно, насколько резко верхний (пахотный) слой отличается от нижележащих слоев почвы как по внешнему виду, так и по свойствам. Он характеризуется более рыхлым сложением, повышенным содержанием гумуса и доступных растениям питательных веществ, пониженной кислотностью, высокой биологической активностью.

Возрастание мощности пахотного слоя положительно влияет на водный режим почвы. При его увеличении почва полнее может использовать выпадающие осадки. На почве с глубоким высокоокультуренным пахотным слоем, даже при выпадении дождей ливневого характера большая часть выпадающих осадков, как правило, успевает проникнуть в толщу этого слоя и задерживается в нем, в дальнейшем избыток влаги сверх полевой влагоемкости постепенно уходит в нижележащие слои. Наоборот, на почве с мелким пахотным слоем при тех же условиях рельефа при одинаковом состоянии поверхности и одинаковом сельскохозяйственном использовании почвы дожди ливневого характера обычно бывают мало полезными, так как большая часть выпавших осадков стекает по поверхности почвы. При повышенном количестве осадков почва с мелким пахотным слоем быстро переувлажняется, растения на ней страдают от избытка влаги и недостатка кислорода в почве. В то же время на расположенной рядом почве с глубоким пахотным слоем, хотя эта почва содержит больше влаги, чем первая, растения развиваются нормально, никаких признаков страдания их от избытка влаги не обнаруживается. На такой почве культурные растения лучше противостоят засухе и меньше страдают от избыточных дождей.

С увеличением мощности пахотного слоя улучшаются условия питания культурных растений. Даже в очень бедной почве содержание питательных веществ обычно в сотни раз превышает те их количества, какие используются сельскохозяйственными растениями ежегодно при самых высоких урожаях. Несмотря на такие большие запасы питательных веществ в почве, растения далеко не всегда имеют возможность своевременно и полностью удовлетворять свои потребности в пище. Преобладающая часть необходимых для растений питательных веществ находится в почве в недоступных формах - в органических остатках, в перегное, в составе почвенных микроорганизмов, а также в труднорастворимых минеральных соединениях. Лишь в результате переработки этих составных частей почвы микроорганизмами, а также распада тел отмерших микроорганизмов питательные вещества получаются в форме легкорастворимых соединений, доступных растениям. Эта полезная деятельность почвенных микроорганизмов может протекать нормально лишь при благоприятных для них почвенных условиях -при наличии в почве нужной им пищи, тепла, влаги, воздуха (кислорода), и при отсутствии повышенной кислотности почвы. В сильно уплотненной или переувлажненной почве вследствие недостатка кислорода жизнедеятельность полезных для растений микроорганизмов подавляется. В таких условиях в почве развивается другая группа микроорганизмов, продукты жизнедеятельности которых не только не используются сельскохозяйственными растениями для питания, но могут даже отрицательно сказаться на росте и развитии.

Количество микроорганизмов в почве исключительно велико. Но в таких громадных количествах почвенные микроорганизмы развиваются при благоприятных условиях температуры и влажности только в пахотном слое. В нижележащих слоях почвы деятельность микроорганизмов резко ослабляется. Преобладающая часть почвенных микроорганизмов нуждается в органическом веществе как источнике, необходимом для их жизнедеятельности энергии и как основном источнике веществ, нужных им для построения тела.

Подпахотный слой дерново-подзолистых почв, представленный п большинстве случаев подзолистым горизонтом, содержит очень мало органических веществ и микроорганизмы не могут интенсивно развиваться в нем прежде всего вследствие недостатка пищи. Другой причиной сильно подавленной деятельности микроорганизмов в подпахотном слое следует считать недостаток кислорода. Наконец, деятельность микроорганизмов в подпахотном слое часто тормозится вследствие повышенной кислотности почвы этого слоя. По указанным причинам деятельность микроорганизмов в дерново-подзолистых почвах наиболее выражена только в пределах пахотного слоя.

Следовательно, чем больше мощность пахотного слоя, тем больше биологически активный слой, в котором благодаря жизнедеятельности полезных почвенных микроорганизмов бесперебойно от весны до осени готовится необходимая культурным растениям пища.

Повышение мощности пахотного слоя почвы означает увеличение биологически активного слоя и создание больших возможностей для обеспечения сельскохозяйственных растений питательными веществами. Однако было бы грубой ошибкой на этом основании противопоставлять увеличение мощности пахотного слоя применению удобрений. Ранней весной при низкой температуре микроорганизмы не работают. На помощь земледелию приходит промышленность. Она предоставляет сельскому хозяйству минеральные удобрения, которые содержат питательные для растений вещества в доступных для них формах. На окультуренных почвах с глубоким пахотным слоем положительное влияние удобрений на урожай усиливается.

Для нормального почвенного питания сельскохозяйственных растений большое значение имеют мощность развития их корневых систем и распределение корней в почве по глубине. Мощность развития корневых систем зависит от уровня плодородия почвы, от степени ее окультуренное™. На дерново-подзолистых почвах у всех сельскохозяйственных растений основная масса корней (до 80-90 % общей их массы) располагается в пределах пахотного слоя. В этом же слое в течение всех жизни растений находится преобладающая часть тонких корешков, покрытых корневыми волосками, т. е. деятельная, поглощающая часть корневых систем, через которую поступает в растение пища из почвы. Объясняется это тем, что питательные вещества в доступных для растений формах содержатся в основном в пахотном слое. Чем больше мощность пахотного слоя, тем больший объем культурной почвы охватывается густой сетью корней и полнее обеспечивается почвенное питание растений. На почвах с мелким пахотным слоем растения свои потребности в почвенном питании вынуждены покрывать в основном за счет очень ограниченного, явно недостаточного слоя.

На окультуренных почвах с благоприятными физическими и агрохимическими свойствами подпахотных слоев зерновые культуры могут потреблять более 50 % влаги, 20-40 % питательных веществ из подпахотных горизонтов.

При наличии глубокого пахотного слоя случаи гибели озимых культур при неблагоприятных условиях перезимовки бывают исключением. На таких почвах озимые культуры, как правило, благополучно переносят даже самые тяжелые условия перезимовки. Объясняется это лучшими физическими свойствами почвы с глубоким пахотным слоем, отсутствием на них длительного осеннего переувлажнения и хорошим развитием озимых культур в осенний период.

На почвах с глубоким пахотным слоем гораздо реже наблюдается такое явление, как выпадение клеверов при неблагоприятных условиях перезимовки.

С увеличением мощности пахотного слоя повышается эффективность других агротехнических приемов возделывания сельскохозяйственных культур. Следовательно, можно сделать заключение, что только при наличии глубокого пахотного слоя и высокой окультуренности почвы могут быть обеспечены вполне благоприятные условия для роста и развития сельскохозяйственных растений. Они по-разному реагируют на мощность пахотного слоя и глубину обработки. К первой группе культур, хороню отзывающихся на глубокую обработку почвы относятся: свекла, кукуруза, картофель, люцерна, клевер, вика, кормовые бобы, подсолнечник,овощные культуры. Ко второй группе культур, средне отзывающихся на глубокую обработку почвы, относятся: озимая рожь, озимая пшеница, горох, ячмень, овес, кострец безостый. К третьей группе культур, слабо отзывающихся или совсем не отзывающихся на глубокую обработку почвы, относятся лен и яровая пшеница. На почвах с мощным пахотным слоем выше урожайность сельскохозяйственных культур.

Приемы увеличения мощности пахотного слоя. В начале прошлого века па преобладающей части пахотных земель дерново-подзолистых почв глубина пахотного слоя не превышала 14-15 см, а на значительной площади была не более 12 см. За истекший период благодаря росту культуры земледелия, увеличению внесения органических и минеральных удобрении мощность пахотного слоя доведена до 20-22 см. Экономически выгодным считается иметь мощность пахотного слоя 30-35 см. Однако следует иметь в виду, что увеличение мощности пахотного слоя не сводится только к увеличению глубины обработки, обязательным является внесение органических, минеральных и известковых удобрений, посев сидеральных культур.

Технология создания и окультуривания глубокого пахотного слоя дерново-подзолистых почв предусматривает оставление пахотного слоя на прежнем месте, рыхление и окультуривание нижележащих слоев. Особенно важно это соблюдать при неглубоком пахотном слое.

В настоящее время известно несколько способов углубления пахотного слоя почвы.

Пропахивание нижележащего слоя почвы с выносом его на поверхность.
Полное оборачивание пахотного слоя с одновременным рыхлением части подпахотного.
Рыхление на установленную глубину без оборачивания плугом без предплужников и без отвалов или чизельными плугами.
Углубление путем одновременной припашки части подпахотного слоя к пахотному и применение рыхления подпахотного.
Обработка почвы ярусными плугами с взаимным перемещением горизонтов.

При выборе способа углубления и окультуривания пахотного слоя дерново-подзолистых почв необходимо учитывать следующие показатели: 1) характеристика пахотного слоя (мощность, плодородие, гранулометрический состав); 2) характеристика подпахотных слоев: состав (подзолистый, иллювиальный, материнская порода), глубина, гранулометрический состав, агрофизические и агрохимические свойства (содержание гумуса, элементов питания, реакция среды, содержание подвижного алюминия и закисного железа).

Наиболее доступным способом увеличения мощности пахотного слоя является пропахивание нижележащего слоя почвы с выносом его на поверхность. Он осуществляется обычными плугами. За один прием следует припахивать не более 2-3 см подзолистого слоя. На почвах с пахотным слоем более 20 см его углубляют на 1/5 его толщины. Чтобы не допустить снижения урожайности сельскохозяйственных культур от пропахивания подзолистого горизонта к пахотному, необходимо разово внести 80-100 т/га органических удобрений, известковые удобрения для нейтрализации избыточной кислотности и минеральные удобрения в соответствии с планируемой урожайностью. Такое внесение позволит улучшить физические свойства и биологическую активность почвы и нейтрализацию кислотности. Лучшим местом углубления пахотного слоя путем припашки подзолистого является паровое поле, предназначенное под посев озимой ржи и поля под посадку картофеля. Нельзя углублять пахотный слой с вовлечением в него подзолистого горизонта под такие культуры, как сахарная свекла, кукуруза, пшеница и лен, даже с внесением удобрений, поскольку это приводит к снижению их урожая.

На почвах с неглубоким залеганием подзолистого горизонта при углублении пахотного слоя нужно проявлять некоторую осторожность, учитывая, что подзолистый слой отличается неблагоприятными физическими и биологическими свойствами, почти не содержит в усвояемой форме питательных веществ для растений и имеет повышенную кислотность. В этом случае подзолистый горизонт не выворачивают и не перемешивают с пахотным, а только рыхлят. При таком углублении пласт оборачивается на глубину гумусового слоя, а лежащий под ним горизонт рыхлится почвоуглубителями примерно на 10-15 см. В дальнейшем по мере окультуривания подзолистого горизонта можно частично припахивать его к пахотному обычным плугом. Не следует припахивать глеевый горизонт к гумусовому, так как он содержит закисные соли, вредные для сельскохозяйственных растений. На таких почвах хорошие результаты получают от углубления пахотного слоя плугами с почвоуглубителями, плугами без отвалов, плугами с вырезными отвалами и чизельными. Углубление путем рыхления на месте нижнего слоя (без выворачивания) в значительной степени повышает аэрацию, усиливает жизнедеятельность микроорганизмов и накапливает в почве усвояемые для растений продукты питания как за счет разложения органических веществ, так и за счет окисления минеральных соединений. Одним из эффективных способов постепенного увеличения мощности пахотного слоя является углубление путем одновременной припашки части пахотного слоя к пахотному и применение рыхления подпахотного.

Коренным образом можно изменить пахотный слой при вспашке ярусными плугами с взаимным перемещением почвенных горизонтов. Этот способ может быть эффективным при наличии в хозяйстве достаточного количества органических, минеральных и известковых удобрений, в противном случае может быть значительное снижение урожайности сельскохозяйственных культур. Увеличение мощности пахотного слоя требует больших материальных и денежных затрат, что не всегда под силу хозяйствам.

Результаты многолетних стационарных и краткосрочных полевых опытов свидетельствуют о том, что нет достаточно веских оснований для рекомендации постепенно углублять пахотный слой до 25-30 см и более. Углубление целесообразно лишь на хорошо окультуренных пахотных землях в условиях интенсивного применения удобрений, периодического известкования и возделывания культур, хорошо отзывающихся на глубокие обработки.

В среднем за ротацию семипольного севооборота без углубления получено 59,1 ц/га к.ед., по углублению на 5 см - 59,8 ц/га, т. е. продуктивность практически одинаковая. Однако углубление пахотного слоя за счет припашки подзолистого приводит к большим затратам ГСМ на его проведение, а на почвах, засоренных камнями, и к поломке плугов.

В большинстве хозяйств республики гумусовый слой пахотных почв составляет 20 см и более, углублять его за счет припашки подзолистого неэффективно, а следует его окультуривать и только на переуплотненных участках разуплотнять подпахотные слои безотвальными орудиями, лучше с наклонными стойками. На дерновоподзолистых легкосуглинистых почвах с мощностью гумусового слоя 20-22 см можно получать зерновых 4,5-6,0 т/га, картофеля - 35-40, корнеплодов - 60-80, сена многолетних трав - 10-12 т/га.

суспензию диоксида кремния составляют в соотношении: 1 ч. порошка диоксида кремния и 5 ч. воды. Суспензия в течение всего процесса полировки должна тщательно перемешиваться. Процесс полировки с использованием суспензии из диоксида кремния проводят на полировальнике из замши с частотой вращения до 100 об/мин.

Диоксид циркония в виде водной суспензии с соотношением компонентов 1: 10 и величиной зерна не более 0,1 мкм с успехом используется на окончательном этапе процесса полировки.

Последний этап полировки имеет большое значение. Он дает возможность удалить так называемый алмазный фон с поверхности полупроводниковых пластин, возникающий на первых двух этапах, и значительно уменьшить глубину механически нарушенного слоя. Последний этап полировки позволяет получить поверхности полупроводниковых пластин с чистотой обработки, соответствующей 13-14-му классу.

Дальнейшее совершенствование и улучшение методов полировки полупроводниковых материалов предусматривает изыскание путей

повышения производительности процесса, создание новых полировочных материалов, обеспечивающих наряду с высоким качеством обработки поверхности хорошую геометрическую форму пластин, К новым перспективным методам полировки следует отнести химико-механические способы, которые отличаются высокой химической активностью по отношению к обрабатываемому полупроводниковому материалу.

§ 3.8. Контроль качества механической обработки

Электрические параметры готовых полупроводниковых приборов и ИМС существенно зависят от степени совершенства поверхности, качества обработки и геометрической формы обработанных полупроводниковых пластин, так как эти несовершенства механической резки, шлифовки и полировки неблагоприятно сказываются на последующих технологических процессах: эпитаксии, фотолитографии, диффузии и др. Поэтому после проведения процессов механической обработки полупроводниковые пластины подвергаются контролю. Оценку качества производят по следующим основным критериям годности: 1) геометрические размеры и форма полупроводниковых пластин; 2) чистота обработки поверхности пластин; 3) глубина механически нарушенного слоя.

Контроль геометрических размеров и форм пластин предусматривает определение толщины, стрелы прогиба, клиновидности и плоскостности пластин после каждого вида механической обработки.

Толщину пластин определяют путем измерения ее в нескольких точках поверхности с помощью индикатора часового типа с ценой деления 1 мкм.

Стрелу прогиба пластин определяют как разность значений толщины пластины в двух точках, расположенных в центре пластины на противоположных ее сторонах, т. е. измеряют толщину пластины в центральной точке, а затем пластину переворачивают на другую сторону и снова измеряют толщину в центральной точке. Разность полученных значений толщины даст стрелу прогиба.

Клиновидность определяют как разность значений толщины пластины в двух точках, но расположенных не в центре пластины, а по ее краям на противоположных концах пластины, отнесенную к диаметру пластины. Для более полной картины рекомендуется повторить измерения для двух точек, расположенных на концах диаметра, перпендикулярного диаметру, который был выбран для первого измерения.

Плоскостность определяют измерением толщины пластины в нескольких точках, расположенных по диаметру пластины.

Контроль чистоты обработки поверхности пластин включает в себя определение шероховатости, наличия- на поверхности сколов, рисок, впадин и выступов.

Шероховатость оценивают высотой микровыступов и микровпадин на поверхности полупроводниковой пластины. Оценку шерохо-

ватости проводят либо сравнением поверхности контролируемой пластины с эталонной поверхностью, либо измерением высоты микронеровностей на микроинтерферометре МИИ-4 или на профило-трафе-профилометре.

Наличие на поверхности пластин сколов, рисок, впадин и выступов контролируется визуально с помощью микроскопа.

Контроль глубины механически нарушенного слоя. Глубина механически нарушенного слоя является основной характеристикой качества обработки полупроводниковых пластин. Несовершенства кристаллической решетки приповерхностного слоя полупроводниковой пластины после резки, шлифовки и полировки принято называть механически нарушенным слоем. Этот слой распространяется от обработанной поверхности в глубь объема полупроводникового материала. Наибольшая глубина залегания нарушенного слоя образуется при резке слитка на пластины. Процессы шлифовки и полировки приводят к уменьшению глубины залегания этого слоя.

Структура механически нарушенного слоя имеет сложное строение и может быть разделена по толщине на три зоны. Первая зона представляет собой нарушенный рельефный слой, состоящий из хаотически расположенных выступов и впадин. Под этой зоной расположена вторая (самая большая) зона, которая характеризуется одиночными выколками и идущими от поверхности зоны в ее глубь трещинами. Эти трещины начинаются от неровностей рельефной зоны и простираются по всей глубине второй зоны. В связи с этим слой полупроводникового материала, образованный второй зоной, получил название «трещиноватый». Третья зона представляет собой монокристаллический слой без механических повреждений, но имеющий упругие деформации (напряженный слой).

Толщина нарушенного слоя пропорциональна размеру зерна абразива и может быть определена по формуле

где k- 1,7 для кремния и & = 2,2 для германия; ? - размер зерна абразива.

Для определения глубины механически нарушенного слоя используют три способа.

Первый способ заключается в последовательном стравливании тонких слоев нарушенной области и контроле поверхности полупроводниковой пластины на электронографе. Операцию стравливания проводят до того момента, когда вновь полученная поверхность полупроводниковой пластины обретет совершенную монокристаллическую структуру. Разрешающая способность данного метода лежит в пределах ± 1 мкм. Для увеличения разрешающей способности необходимо уменьшать толщину снимаемых каждый раз слоев. Процесс химического травления не может обеспечить снятие сверхтонких слоев. Поэтому тонкие слои снимают травлением не полупроводникового материала, а предварительно окисленного слоя. Метод окисления поверхности с последующим стравливанием слоя оксида

дает возможность получить разрешающую способность менее 1 мкм.

Второй способ основан на зависимости предельного тока анодного растворения полупроводниковой пластины от наличия дефектов на ее поверхности. Так как скорость растворения слоя с дефектами структуры значительно выше, чем монокристаллического материала, то значение анодного тока при растворении пропорционально этой скорости. Поэтому при переходе от растворения нарушенного слоя к растворению монокристаллического материала будет наблюдаться резкое изменение как скорости растворения, так и значения анодного тока. По моменту резкого изменения анодного тока судят о глубине нарушенного слоя.

Третий способ основан на том, что скорость химического травления полупроводникового материала нарушенного слоя значительно выше скорости химического травления исходного ненарушенного монокристаллического материала. Поэтому толщину механически нарушенного слоя можно определить по моменту скачкообразного изменения скорости травления.

Критериями годности полупроводниковой пластины после определенного вида механической обработки являются следующие основные параметры.

После резки слитков на пластины диаметром 60 мм поверхность не должна иметь сколов, больших рисок, класс чистоты обработки должен быть не хуже 7-8; разброс по толщине пластины не должен превышать ±0,03 мм; прогиб не более 0,015 мм; клиновидность не более 0,02 мм.

После процесса шлифовки поверхность должна иметь матовый однородный оттенок, не иметь сколов и царапин; клиновидность не выше 0,005 мм; разброс по толщине не выше 0,015 мм; чистота обработки должна соответствовать 11-12-му классу.

После процесса полировки чистота поверхности должна соответствовать 14-му классу, не иметь алмазного фона, сколов, рисок, царапин; прогиб должен быть не хуже 0,01 мм; отклонение от номинала толщины не должно превышать ±0,010 мм.

Необходимо отметить, что контроль качества полупроводниковых пластин (подложек) имеет огромное значение для всего последующего комплекса технологических операций изготовления полупроводникового прибора или сложной интегральной микросхемы. Это объясняется тем, что механическая обработка подложек является, по существу, первой из цикла операций всего процесса производства приборов и поэтому позволяет исправить отклонение параметров от нормы забракованных при контроле пластин (подложек). При некачественном проведении контроля пластины, имеющие какие-либо дефекты или несоответствие требуемым критериям годности, попадают на последующие технологические операции, что приводит, как правило, к неисправимому браку и резкому снижению такого важного экономического параметра, как процент выхода годных изделий на этапе их изготовления.

Таким образом, максимальная отбраковка негодных пластин после механической обработки гарантирует потенциальную надеж-

ность проведения всего комплекса технологических операций и в первую очередь технохимических и фотолитографических процессов, процессов, связанных с получением активных и пассивных структур (диффузия, эпитаксия, ионная имплантация, осаждение пленок и др.), а также процессов защиты и герметизации р-п-переходов.

ТЕХНОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПОДГОТОВКИ ПОДЛОЖЕК ИМС

§ 4.1. Цели технохимических процессов подготовки подложек

Основными целями технохимических процессов подготовки подложек ИМС являются: получение чистой поверхности полупроводниковой пластины; удаление с поверхности полупроводниковой пластины механически нарушенного слоя; снятие с полупроводниковой пластины слоя исходного материала определенной толщины; локальное удаление исходного материала с определенных участков поверхности подложки; создание определенных электрофизических свойств обрабатываемой поверхности подложки; выявление структурных дефектов кристаллической реше

О П:И;.C"À.",3 и E изоб итиния

Союз Советских

Соцмалмстммескмх

2 (5l) М. Кл.

Государстаеккый комитет

Совета Мкнкстроа СССР ко делам кзооретенкй и открыткй (43) Опублыковано25.10.78.Бюллетень № 38 (53) уд (@pl 382 (088.8) (45} Дата опубликования описания28.08.78

Ж. А. Веревкина, В. С. Кулешов, И. С. Суровцев и B. Ф. Сыноров (72) Авторы нзобретеыыя (тт) даявытель Воронежский ордена Ленина государственный университет им. Ленинского комсомола (54) СПОСОБ.ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИНЫ НАРУШЕННОГО СЛОЯ

ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ПЛАСТИ НЫ

Изобретение относится к области производства полупроводниковых приборов.

Известные способы определения глубины нарушенного слоя основаны на изменении физических или електрофизнческих параметров полупроводникового материала при последовательном механическом либо химическом удалении нарушенного слоя.

Гак, метод плоскопараллельных (косых) сечений с подтравливанием состоит в последовательном удалении частей нарушенного слоя, химическом травлении оставшегося материала и визуальном контроле следов трешин. 15

Метод циклического травления основан на различии в скоростях травления поверхностного нарушенного слоя и объема полупроводникового материала и заключается в точном определении обьема 20 стравленного материала за определенный промежуток времени.

Метод микротвердости основан на разнице величины микротвердости нарушенного слоя и обьема полупроводникового ма- 25 териала и заключается в послойном химическом стравливании приповерхностных слоев материала и измерении микротвердости оставшейся части полупроводниковой пластины.

Метод инфракрасной микроскопии основан на различном поглощении излучения

ИК-диапазона полупроводниковыми пластинами с разной глубиной нарушенного слоя и заключается в измерении интегрального пропускания ИК-излучения полупроводниковой пластиной после каждого химического удаления слоя материала.

Электронографический метод определе ния глубины нарушенного слоя основан на приготовлении косого шлифа из полупроводниковой пластины и сканировании злектроннoFo луча IIо шлифу от поверхности монокристалла до той точки, начиная с которой дифракционная картина не меняется, с последующим замером пройденного расстояния.

Однако в известных методах контроля следует отметить либо наличие дорогостояшего и громоздкого оборудования, либо

599662 применение агрессивных н токсичных реактивов, а также длительность получения результата.

Известен способ определения глубины нарушенного слоя в полупроводниковой S йнастине путем нагрева полупроводника, Qrm его заключается s том, что попу проводннковую пластину с нарушенным слоем помещают в вакуумную камеру перед входным окном приемника экзоэпек- 1о тронов, с помощью которого измеряют экзоэпектроееееую эмиссию с поверхности полупроводника.

Для создания тянущего экэоэпектронов электрического поля над поверхно- 33 стью попупроводника помещают сетку, на которую подают отрицатепьньей потеяциап. Далее при нагреве полулроводешка с его поверхности возникает экэоэпектрониая эмиссия измеряем%я С пОмОщью при» емнике1 и дОпопнительной аппаратурье (ши» (еокополостного усилителя и импульсного счетчиKа), При этом температурноe по» пожение и интенсивность ликов эмиссии определяется глубиной нарушенного слоя. 25

При этом способе необходимо наличие вакуумного Оборудования, причем для получения эмиссионных спектров необходимо в камере создавать разряжеееие не хуже 10 торр. Создание таких условий ЗО перед собственно процессом определения гееу%нье нарушенного слоя приводит к по пучению конечного результата лишь через

40-60 миеЕ„Кроме тое о, по данному спо сабу нельзя одновременно определить 35 кристаппографическую ориентацию полупроводниковой пластины.

Цель настоящего изобретения вЂ” упрощение процесса определения глубины нарушенного слоя, одновременное Опредепе 40 ние кристаплографической ориентации попупроводниковой пластины.

Зто достигается тем, что пластину нагреваеот B высокочастотном лопе до появпения скеенэффекта и выдерживают в течение 2-5 с, после чего по средней максимапьной протяженности следов ориентированных каналов проппавпения и их форме определяют глубину нарушенного слоя и ориентацию монокристалпической пластины.

На чертеже приведена зависимость средней максимальной площади следов ориентироваиееых каналов проплавпения на поверкности кремния ориентации (100} от глубины нарушенного слоя„

При индукционном нагреве полупровод ннковой пластины (с одновременной инициацией собственной проводимости в полупроводнике) на периферии последнего возникает скин-эффект, обнаруживаемый по появлению ярко светящегося ободка на пластине. Прн вьедерживаееии пластины в указанных успоьиях в течение 2-5 с обнаружено, что на обеих сторонах периферии полупроводниковой пластины образуются фигуры в виде треугольников дпя попупроводников, ориентированных в плоскости, и прямоугольников - дпя ориентации (100).

Зти фигуры являются следами ориентированных каналов проппавпения.

Образование каналов, по-видимому, обусловлено взаимодействием пондермоторных сип электрического поли с трещинами и прочими дефектами в приповерхностном слое полупроводника, приводящим к разрыву межатомных связей в зоне де фекта, Зпектроны далее ускоряются в сильном электрическом поле, ионнэируют на пути атомы, вызывая павину, и, таким образом, проппавияют мояокристалл вдоль дефекта.

ЗкспереЕментапьным путем обнаружено, Р чтО максимаен эиая протяженность {ппощадьэ) поверхностных следов ориентированных каналов проппавления зависит от размера (протяженности) самого дефекта в структуре попупроводника. Причем зависимость эта нииейная, т. е. чем больше размер дефекта, например, длина трещин, тем большую ппощадь имеет след ориен тированного канапа проппавпения, возник» шего на этом дефекте.

Пример При полировании кремниевых пластин алмазными пастами с после довательно уменьшающимся диаметром зерна предварительно строят градуировоч ную кривую. По оси ординат откпадывают значения глубины нарушенного слоя в кремнии, определенные любым из извест. ных методов, например, циклическим травлением. По оси абсцисс» среднюю мак- симальную протяженность (площадь) сле дов проппавления, соответствующую определенной глубине нарушенного слоя. Для этого пластины диаметром 40 мм, иэъя-1 тые с различных стадий полирования, по-. мещают на графитовой подложке в ципиндрический ВЧ индуктор днаметррм 50мм установки мощностью ЗИВТ и рабочейчастотой 13,56 МГц. Пластину выдерживают в ИЧ-поле 3 с, после чего на микроскопе типа МИИ-4 по 10 полям зрения опредепяют среднюю максимальную протяженность (площадь) следа канала проплави $> " >

Составитель Н. Хлебников

Редактор Т. Колодцева ТехредА. АлатыревКорректор С. Патрушева

Заказ 6127/52 Тираж 918 Подписное

UHHHfIH Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 пения. В дальнейшем при частичном изменении технологии, т. е. например, при смене типа станка, материала полировальнкка

> зернистости алмазной пасты и т, д. изымают одну из пластин с определенной стадии техпроцесса и подвергают ВЧ-об работке, как это описано выше. Далее, воспользовавшись градуировочной кривой, определяют глубину нарушенного слоя и вносят коррективы s технологию. Ориен тацию также контролируют визуально пос ле ВЧ обработки.

Хронометрирование процесса определе ния глубины нарушенного слоя и ориента ции полупроводника, согласно предложен ному техническому решению, показывает, что весь процесс от его начала (помещен ния пластины в ВЧ-индуктор) и до получения конечного результата занимает

Реализация описанного способа в полупроводниковом производстве даст возмоиэность производить экспресс-контроль my

29 бины нарушенного слоя на обеих поверхностях полупроводниковой пластины с од» повременным определением ее крирталлографической ориентации, уменьшить при менение агрессивных и токсичных реактивов и>тем самым, улучшить беэопасносуь и условия труда.

Формула изобретения

Способ определения глубины нарушен ного слоя полупроводниковой пластины путем нагрева полупроводника, о т л и -е ч а ю шийся тем, что, с целью уп рощения процесса и одйовременного опре деления кристаллографической ориентации пластину нагревают в высокочастот ном ноле до, появления скин-эффекта и выдерживают таким образом в течение

2-5 с, после чего по средней максималь ной протяженности следов ориентирован-. ных каналов процлавления и их форме определяют глубину нарушенного слоя и ориентацию монокристаллической пластиBbK

СОЮЗ СОВЕТСКИХ ОЦИАЛИСТИЧЕСКИ СПУБЛИК(51)4 С 01 В 5(р) юъ ч Я БР САНИ К АВТОРСКОМ ТЕЛЬСТВ 11 31 и др, Методы слоев при мее монокристал 978объГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54) СПОСОБ А.Ф.НИКУЛИНА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ГЛУБИНЫ НАРУШЕННОГО СЛОЯ ОВРАБОТАНН ПОВЕРХНОСТИ ОБЪЕКТА.(57)Способ определения глубины нару щенного слоя обработанной поверхности объекта, заключающийся в том, что делают секущий шлиф екта, проводят травление поверхности шлифа, находят граниду нарушен,ного слоя.и по ее положению определяют глубину нарушенного слоя,о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности, перед получением шлифа записывают профило,грамму поверхности, перед травлением записывают профилограмму поверхности шлифа в направлении, кото рое является проекцией первой профилограммы на поверхность шлифа в той же системе координат, травление осуществляют изотропным травителем, после травления записывают профилограмму поверхности протравленного шлифа в том же направлении и в той же системе координат, что и предыдущие профилограммы, и находят на третьей профилограмме границу нарушенного слоя по точке, за которой вторая и третья профилограммы эквидистантны, 1174726Изобретение относится к техническим измерениям, а именно дляопределения глубины нарушенногослоя, возникающего на обработанной поверхности объекта и состоящего из переходящих, по мереудаления от поверхности, одна вдругую зон: рельефной, трещиноватой, пластических деформаций, упругих деформаций с повьшенной плот- . 1 Оностью дислокаций.Известен способ определения глубины нарушенного слоя обработаннойповерхности объекта, которыйзаключается в том, что делают 15секущий шлиф объекта, проводят травление поверхности шлифа, находятграницу нарушенного слоя и поее положению определяют глубину нарушенного слоя, 20В известном способе травлениеповерхности шлифа осуществляют селективно декодирующим травителемдо выявления структуры шпифа, аопрс:вселение границ между нарушенной 25и неповрежденной структурой производят визуально на протравленномшлифе. Глубину нарушенного слоя определяют с учетом угла наклона косогошлифа к обработанной поверхности Я.ЗНедостатком известного способаявляется низкая точность определения глубины нарушенного слоявследствие визуального определениярасположения на шлифе линии перехода от нарушенной в неповрежденнойструктуре,Целью изобретения является повы -шение точности,Поставленная цель достигается тем,40 что согласно способу определения глубины нарушенного слоя обработанной поверхности объекта, заключающемуся в том, что делают секущий шлиф объекта, проводят трав ление поверхности шлифа, находят границу нарушенного слоя и по ее положению определяют глубину нарушенного слоя, перед получениемшлифа записывают профилограмму 50 поверхности, перед травлениемзаписывают профилограмму поверхности шлифа в направлении, которое является проекцией первой профилограммы на поверхности шлифа в той же 55 системе координат, травление осуществляют изотропным травителем, после травления записывают профилограмму поверхности протравленного шлифа в том же направлении и в той же системе координат, что и в предыдущие профилограммы, и находят на третьей профилограмме границу нарушенного слоя по точке, за которой вторая и третья профилограммы эквидистантны.На фиг. дано изображение в изометрии части объекта, у которого определяется глубина нарушенного слоя обработанной поверхности с указанием поверхностей косого шлифа и поверхности шлифа после травления; на фиг,2 - сечение А-А на фиг,1,Способ осуществляется следующим образом.На обработанной поверхности 1 объекта, у которого определяют глубину нарушенного слоя, снимают профилограмму 2. Далее на объекте делают косой шлиф, поверхность 3 которого расположена под известным углом к обработанной поверхности 1,Шлиф получают методом щадящего полирования. Записывают профилограмму. 4 поверхности 3 шлифа в направлении, которое является проекцией профилограммы 2 на поверхность 3 шлифа в той же системе координат. При записи профилограммы 4 часть записи проводят по поверхности 1 так, чтобы она совпадала с записью профилограммы 2.Проводят. травление поверхности 3 шлифа изотропным травителем в течение интервала времени, не мень - шего, чем необходимо для стравливания споя, доступного для измерения.Свойство изотропного травления - равная скорость травления по всем направлениям (независимо от анизотропных свойств материала) изменяется лишь при стабилизированных условиях травления в зависимости от степени нарушения структуры стравливаемого материала. Скорость травления материала прямо пропорциональна степени нарушения его структуры, После травления получают поверхность 5, на которой записывают профилограмму 6 в том же направлении и в той же системе координат, что и предыдущие профи - лограммы 2 и 4 Участок поверхности 1, на котором происходит запись профилограмм 2,4 и 6, предохраняют от травления путем нанесения покрытия, котоРое удаляется передснятием профилограммы 6,Далее все три полученные про 3 филограммы 2,4 и 6 совмещают, иск пользуя при этом участок поверхности 1, идентичный во всех трех профилограммах 2,4 и 6, и по профилограмме 6 определяют точку а, которая лежит на границе 7 между нарушенным слоем и неповрежденной структурой. Точкой а является то74726 4место на профилограмме 6, послекоторого профилограммы 4 и 6 идутпо эквидистантным кривым. Измеряюткратчайшее расстояние от точки адо поверхности 1,которая обозначена профилограммой 2,и по этомурасстоянию с учетом масштаба записипрофилограммы определяют глубинунарушенного слоя.10 Предлагаемый способ позволяетповысить точность определения глубины нарушенного слоя обработаннойповерхности объекта,

Заявка

3696760, 28.10.1983

ПРЕДПРИЯТИЕ ПЯ Р-6028, КИЕВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. 50-ЛЕТИЯ ВЕЛИКОЙ ОКТЯБРЬСКОЙ СОЦИАЛИСТИЧЕСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ

НИКУЛИН АЛЕКСАНДР ФЕДОРОВИЧ

МПК / Метки

Код ссылки

Способ а. ф. никулина определения глубины нарушенного слоя обработанной поверхности объекта

Похожие патенты

В па, зах 2 стоек 1 и в свободном состоя ции опираются на ограничители 8. Опор-цые поверхности стоек 1 имеют два вы-пуклых участка 9 и 10 одинакового ра диуса, плавно сопряженных со сторонами паза 2. Выполнение опорных поверхностей стоек 1 в виде двух выпуклых участков 9 и 10 одинакового радиуса обеспечивает точную установку прибора как на плоской поверхности, так и на цилиндрической вдоль образующей цилиндра, а выполнение измерительного элемента в виде усеченного конуса с двумя цилиндрическими опорами обеспечивает бесступенчатое, и потому более точное измерение, а также 1 О позволяет размещать на поверхности конусанесколько разных отпечатков без смыва после каждого измерения, что сокращает время при измерениях. Формула изобретения...

И рег 2ламентируется технологической картой в зависимости от типа концентрата, заданной основности и типа флюсующих добавок, При существующих способах контроля невозможно получать объективную информацию о состоянии поверхности слоя в зоне обжига, что затрудняет ведение процесса в оптимальном режиме.Предлагаемый способ контроля состояния поверхности слоя окатышей в зоне обжига основан на одновременном измерении и сравнении температуры газов под слоем и радиационной температуры слоя, что повышает производительность установки и обеспечивает получение окатышей высокого качества.Истинная температура материала определяется по формуле457020 Тн=Т,+ЛТ,Составитель С. Беловодченко Техред Г. Дворина Корректор Т. Добровольская Редактор Л. Тюрина...

От по" верхности объекта 3 до нижних точек выступов 8 в ряду, примыкающем к боковой грани 9, а цифры на шкале 10 - расстояние от поверхности объек та до нижних точек выступов 8 в ряду, ближнем к боковой грани 7.Глубина 1 пазов 5 и 6 и минимальная ширина Ь крайнего поперечного паза 12, одна из сторон которого 45 проходит через ребро 13 двух смежных граней 7 и 9, выбираются иэ условия, чтобы исключалась возможность смачивания иэ-за поверхностного натяжения жидкости выступов 8,50 не касающихся ее при измерении.Интервал (шаг) между цифрами на шкалах 1 О и 11 определяется по геометрическим зависимостям где К, - интервал (шаг) между цифрами на продольной шкапе;К - интервал (шаг) между цифрами на поперечной шкале;а - расстояние между...