Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния технологии механической обработки пластин кремния большого диаметра свободным и связаннымабразивом 8-48
1.1. Основы механической обработки пластин кремния 9-17
1.2. Структура и глубина повреждений в приповерхностных слоях пластин кремния при шлифовании 18-25
1.3. Новые тенденции в технологии обработки пластин кремния 26-46
1.4. Постановка задач исследований 47- 48
ГЛАВА 2. Анализ прямых и косвенных методов исследования приповерхностных повреждений в пластинах кремния и методов их визуализации 49-70
2.1. Двухкристальная рентгеновская дифрактометрия 49-55
2.2. Определение радиуса кривизны деформированных пластин кремния рентгеновским методом 56-59
2.3. Секционная рентгеновская топография пластин кремния 60 - 63
2.4. Методика определения приповерхностных повреждений методом «косого шлифа» 64-66
2.5. Применение окислительного теста для характеризации вторичных дефектов - окислительных дефектов упаковки (ОДУ) 67-68
2.6. Выводы 69-70
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования по определению структуры и глубины повреждений в приповерхностных слоях пластин кремния после двухстороннего шлифования (дсш) свободным абразивом 71-146
3.1. Применение сканирующей электронной микроскопии для определения формы зерна применяемого абразива 71 - 74
3.2. Определение глубины и структуры повреждений прямыми неразрушающими методами 74-94
3.3. Определение глубины и структуры повреждений прямыми разрушающими методами 95 - 110
3.4. Применение косвенных методов для характеризации различий в структуре приповерхностных повреждений после ДСШ свободным абразивом с различной формой и размером зерна и для разделения влияния дефектов после двухстадийного ХМП 111 - 129
3.5. Моделирование формирования нарушений в пластинах кремния при ДСШ свободным абразивом с различным размером и формой абразивных частиц 130- 139
3.6. Обоснование предлагаемого прецизионного способа двухстороннего шлифования пластин кремния свободным абразивом 140 - 142
3.7. Выводы 143- 146
ГЛАВА 4. Практическая реализация результатов работы 147-152
4.1. Разработка технологии прецизионного двухстороннего шлифования свободным абразивом
4.1.1. Разработка технологии приготовления шлифовальной суспензии на основе мелкого абразива с плоской гексагональной формой зерна с использованием вязкого суспензионного носителя 147 - 149
4.1.2. Технология двухстороннего шлифования пластин кремния 0150мм суспензией на основе мелкого абразива с применением вязкого суспензионного носителя 150-151
4.2. Практическое использование результатов работы 152
Общие выводы по работе 153-157
Литература
- Структура и глубина повреждений в приповерхностных слоях пластин кремния при шлифовании
- Определение радиуса кривизны деформированных пластин кремния рентгеновским методом
- Определение глубины и структуры повреждений прямыми разрушающими методами
- Практическое использование результатов работы
Структура и глубина повреждений в приповерхностных слоях пластин кремния при шлифовании
Каждая абразивная обработка в технологическом цикле изготовления пластин кремния по-разному действуют на ее поверхность. В результате возникают существенные структурные изменения в поверхностном слое, который называют нарушенным слоем. Его свойства значительно отличаются от свойств объема материала. Знание структуры этого слоя и глубины проникновения повреждений в приповерхностных слоях пластины важно не только для характеристики качества изготовленной пластины, но и для оптимизации всего технологического цикла.
В результате моделирования процесса обработки вдавливанием и царапанием единичным индентором показано, что кремний может деформироваться упруго и пластически, подвергаться хрупкому разрушению и резанию со снятием стружки. Эти различия в механизме съема материала определяют и различия в подходе к построению моделей приповерхностного нарушенного слоя после различных видов обработки.
Существуют различные представления при определении понятия нарушенного слоя и его глубины. Для дальнейших обсуждений введем следующее понятие нарушенного слоя: нарушенный слой - близко расположенный у поверхности слой, в котором кристаллическая структура нарушена обработкой, и этот слой характеризуется отличными от объема физическими и механическими свойствами, а присутствующие в нем дефекты могут быть источниками вторичных дефектов при последующих операциях и процессах [6].
Так как определяемая глубина нарушенного слоя является количественной характеристикой приповерхностного слоя пластин кремния после отдельных операций обработки, то она дает представление о толщине слоя, который необходимо снять, чтобы после дальнейшей менее разрушающей обработки (например, химической или химико - механической) достичь ненарушенный монокристаллический объем пластины. Для определения толщины этого слоя используют различные методы, которые основаны на различных физических принципах. В связи с этим полученная величина глубины нарушенного слоя в общем случае также зависит от используемого метода.
Основываясь на механизме хрупкого разрушения приповерхностного слоя при шлифовании в нарушенном слое выделяют рельефный слой и трещиноватую зону [7]. Дальнейшие исследования нарушенного слоя [8] позволили предположить, что под слоем с трещинами лежит зона монокристалла с упругими деформациями. Эта модель исключает пластические процессы в материале во время абразивной обработки.
С развитием знаний о механизме обработки хрупких твердых тел изменяются и представления о дефектах в нарушенном слое. В работе [9] было установлено, что продолжением трещин в нарушенном слое являются ряды дислокаций.
Электронно - микроскопическими исследованиями [10, 11] было доказано наличие дислокаций в приповерхностном слое. Кроме того, некоторыми исследователями было установлено пластическое поведение явно хрупких материалов при комнатной температуре. С учетом этого в [12] модель нарушенного слоя видоизменена: выделяется зона с трещинами и дислокациями и затем уже упруго -деформированный слой. Геометрически определенные следы рисок в опытах по царапанию при низких нагрузках [13] указывают на преимущественно пластическое поведение материалов.
На основе электронно - микроскопических исследований [11] и [10] была создана схема строения нарушенного слоя в кремнии. Согласно этой модели нарушенный слой состоит из рельефной зоны (1), зоны трещин и дислокаций (2), упруго - деформированной области (3) (рис.2). Полигонизация дислокаций, обнаруженная с помощью просвечивающей электронной микроскопии, для которой в кремнии необходимы температуры 0,7ТПЛ, подтверждает гипотезу о том, что под воздействием зерна в малой зоне контакта кратковременно возникают очень высокие температуры, обусловливающие пластическое поведение кремния в микрообластях.
В результате сравнения данных рентгенографических, металлографических, растровой и трансмиссионной электронной микроскопии [14, 11] можно сделать следующие выводы о строении нарушенного слоя в пластинах кремния после механической абразивной обработки (рис.3).
Во время обработки на поверхности пластин возникает рельеф с поликристаллической структурой t\. Толщина этой поликристаллической структуры составляет 0,3 - 0,5 величины микронеровностей. Непосредственно под рельефом находятся трещины и дислокационные скопления t2, которые представляют собой главные дефекты механической абразивной обработки и вносят основной вклад в полную глубину нарушений. Этот второй слой в 3-6 раз более протяженный, чем первый tj. Кристаллографическая структура этого слоя мозаичная. Плотность и размер трещин уменьшаются с глубиной. Между трещинами в пластинах кремния наблюдаются дислокации и дислокационные сетки, которые могут распространяться до 3-4 мкм при общей глубине нарушенного слоя 15-20 мкм. Между трещинами существуют упругие напряжения, которые особенно заметны у вершины трещины
Определение радиуса кривизны деформированных пластин кремния рентгеновским методом
Для исследования приповерхностных слоев в пластинах кремния обычно используется параллельная схема двухкристального спектрометра (рис.12).
Пусть от источника рентгеновских лучей S на совершенный (моноблочный, немозаичный) кристалл А падает расходящийся пучок рентгеновского излучения (заштрихованная область на рис.12). В каждом из элементарных лучей (1, 2, 3 на рис.12) содержится полный набор длин волн из рентгеновского спектра.
Особенностью спектра рентгеновского излучения является то, что интенсивность характеристических максимумов и особенно Kai и Ка2 в несколько десятков раз превышает интенсивность остальной части спектра. Поэтому в каждом элементарном луче (1, 2, 3 и т. д. на рис.12) отраженного от кристалла А расходящегося пучка рентгеновского излучения фактически содержатся только лучи с длинами волн А,каі и Ка2- Объясняется это тем, что в случае высокого совершенства первого кристалла (А) условия отражения, удовлетворяющие условию Вульфа— Брэгга, выполняются только в узкой угловой области вблизи элементарных лучей 1 и 2, поэтому первый кристалл отсекает все поскольку для них не выполняется условие Вульфа-Брэгга. Таким образом характерной особенностью излучения, отразившегося от первого кристалла является то, что каждый из двух лучей оказывается монохроматичным, а угол расхождения между этими двумя лучами соответствует разнице в брэгговских углах отражения излучения с длинами волн А-каї и Ка2- Вследствие ЭТОГО при повороте второго кристалла (В) идентичного первому, вокруг оси вращения элементарные лучи Каї и Ка2 будут отражаться при одном и том же значении угла поворота g, т. е. «одновременно». Равенство брэгговских углов отражения отдельных лучей для первого и второго кристалла легко проверить, если сделать симметричное построение зеркального изображения второго кристалла относительно плоскости, образуемой поверхностью первого кристалла (см. изображение В , в штриховых линиях на рис. 12).
Кривую зависимости интенсивности, отраженной кристаллом В, от угла его поворота gp (рис.12) называют кривой качания. Характерным свойством кривой качания при строго параллельном расположении кристаллов А и В (0д=0в, см. рис.11) является малая величина полуширины максимума интенсивности, равная по порядку величины нескольким угловым секундам. Факторами, определяющими значение ширины кривой качания, являются Х-длина волны излучения, а и (р -углы отклонения луча от центрального положения в горизонтальной и вертикальной плоскостях соответственно.
Для двухкристального спектрометра (п—п) полуширина кривой качания определяется равенством A9-V2-AGA (11) где Д0А = 2Р [(feA,20 FH/7TV0)Vr7/ У /sin 20 А Ч Здесь fe= 2,811-10" см - классический радиус электрона, FH структурная амплитуда рассеяния, вычисленная для элементарной ячейки объемом Vo; P=(l+cos 20)/2 - фактор поляризации, у0 и уА косинусы углов, образованных падающим и отраженным лучами с нормалью к поверхности кристалла [55].
При наличии в отражающем объеме участков с различными значениями периода решетки, как это имеет место в случае разной деформации по толщине приповерхностного поврежденного слоя или неоднородностей по толщине состава твердого раствора ширина кривой качания будет зависеть не только от интервала изменения периода решетки, но и брэгговского угла отражения в соответствии с выражением A0 = (Aa/a)geB (12)
Описанный метод нами использован для оценки качества обработки поверхностей пластин кремния по величине физического уширения КДО с учетом рассчитанных толщин информативного слоя для различных отражений и длин волн используемого излучения (см. табл.7). Недостатком этого метода является то, что для его применения необходима предварительная оценка толщины поврежденного слоя каким-либо другим методом. Наилучшие результаты этим методом могут быть достигнуты лишь в том случае, когда толщина информативного слоя сопоставима с глубиной поврежденного слоя. При этом должны быть выбраны отражения с минимальной шириной КДО для идеального случая совершенного кристалла. Кроме того, метод удобен лишь в тех случаях, когда механизм разупорядочения решетки одинаков, т.е., «грубо говоря» ограничен одним видом обработки и не может быть применен на всех этапах процесса обработки пластин кремния без изменения выбранного отражения и даже геометрии съемки. Исходя из сказанного, для грубых видов обработки мы выбрали Мо-Ка излучение и отражение Si (333).
Определение глубины и структуры повреждений прямыми разрушающими методами
Проведено сравнение абразивов по: а) форме зерна при одинаковости среднего размера зерен абразива (рис.20); б) зернистости при одинаковой форме зерен (рис.21).
Из полученных СЭМ - изображений на рис.20 видно, что зерна абразива с обозначением PWA15 имеют плоскую, пластинчатую, гексагональную форму. Большинство зерен такого абразива приблизительно одного размера, зерен более мелкой и крупной фракции - минимальное количество. Это подтверждается также распределением зерен абразива марки PWA15 по своему гранулометрическому составу, представленным на рис.22 [70]. Напротив абразив марки F600 представляет собой неоднородную смесь большого количества зерен мелкой фракции, основной фракции и более крупной фракции. Форма зерен абразива - различная: от острых удлиненных до краеугольных многогранных.
Похожая картина, описанная для абразива марки F600, представляется на рис.21. Здесь зерна абразива марки F400 представляют собой острые краеугольные частицы, и размер этих частиц приблизительно в 2 раза превышает средний размер зерна абразива F600. Заметим, что форма зерен обоих сравниваемых абразивов схожая. Распределение по гранулометрическому составу зерен абразива марки F400 представлено на рис.23. Данное распределение заметно шире распределения на рис.22, что отрицательно сказывается на качестве поверхности обрабатываемых пластин кремния в начальное время обработки свободным абразивом.
Использование метода секционной рентгеновской топографии (СРТ). Эксперимент производился на установке RU-200 (ф. «Rigaku»). Метод СРТ позволяет визуализировать распределение полей PWA15, масштаб = 20 мкм PWA15, масштаб = 10 мкм PWA1S, масштаб = f ЧАЧ F600, масштаб = 20 мкм F600, масштаб = 10 мкм F600, масштаб = 5 мкм Рис.20. Снимки абразивных шлифпорошков разной формы и одинаковой зернистости, полученные с помощью СЭМ. F400, масштаб = 20 мкм F400, масштаб = 10 мкм F400, масштаб = 5 мкм F600, масштаб = 20 мкм F600, масштаб -10 мкм Т?А(\1\ масштаб = 5 мкм 3t Рис.21. Снимки абразивных шлифпорошков одинаковой формы и разной зернистости, полученные с помощью ?? 100 0 «-CDі 60 1 и 40 20 1 2 3 45678 10 Размер частиц, мкм Рис.22. Типичное распределение частиц абразива PWA15 по размеру. 100 60 ft я X Л SO Л о. U g о и 40 0 5 6 7 8 18,5 20 Размер частиц, мкм Рис.23. Типичное распределение частиц абразива F400 по размеру. деформации в сечении пластины. В качестве характеристик повреждений выбрали протяженность дальнодействующих полей деформации (ДПД), их отсутствие или наличие, а также четкость проявления (искажения) полос Пенделозунга, характеризующих совершенство объема и приповерхностного слоя по мере удаления нарушений при щелочном травлении. Также с помощью СРТ оценивали ДПД в пластинах после многопроволочной и дисковой резки, а также качество фаски (профиль и наличие повреждений в области фаски).
Результаты исследования представлены в следующей последовательности. На рис.24 представлено рентгенотопографическое изображение сечения пластины после процесса резки АКВР (алмазный круг с внутренней режущей кромкой). Идентификация сторон проводилась следующим образом: при резке А-сторона "смотрит" на наблюдателя, при двухстороннем шлифовании сторона А - лицевая по отношению к верхнему шлифовальнику при ДСШ, сторона В - обратная по отношению к верхнему шлифовальнику при ДСШ. Размер ДПД, распространяющихся от А- и В-сторон отрезаемой пластины, одинаков. Для случая резки АКВР на станках «Алмаз - 12М» наблюдается резкая асимметрия в глубине ДПД (D дпд» D ДПд) [56].
На рис.25,26 представлены рентгенотопографические изображения сечений пластин после процесса ДСШ свободным абразивом с острой краеугольной формой частиц и плоской гексагональной формой соответственно. Разница в приповерхностных слоях пластин существенная, более грубые, неоднородные нарушения присутствуют в приповерхностном слое пластины после шлифования абразивом со средним размером зерна 18,5 мкм и остроугольной формой частиц.
На рис.27 представлены результаты измерения ДПД после ДСШ абразивом, соответственно, на плоских и разрезных шлифовальниках. Видно, что в пределах погрешности измерений ДПД, которая, по
Диаграмма распределения размеров дальнодействующих полей деформации (ДПД) на образцах после шлифования свободными абразивами с различной формой и размером зерна. предварительным оценкам, составляет 10 %, размер ДПД при шлифовании абразивом с плоской гексагональной формой зерна практически одинаков для шлифования на плоских и разрезных шлифовальниках как для А-сторон, так и для В-сторон пластины. При ДСШ абразивом с острой краеугольной формой и средним размером зерна 18,5 мкм на разрезных шлифовальниках размер ДПД примерно в 1,3 раза больше, чем при ДСШ абразивом плоской гексагональной формы со средним размером зерна 10 мкм на тех же шлифовальниках. В отличие от ДСШ абразивом с острой краеугольной формой на плоских шлифовальниках, при ДСШ таким же абразивом на разрезных шлифовальниках анизотропия в размере ДПД на А- и В-сторонах отсутствует, что объяснимо большим доступом шлифовальной суспензии к В-стороне пластины в последнем случае.
В целом полученные количественные результаты говорят о предпочтительности шлифования пластин кремния абразивом PWA-15 (плоская гексагональная форма зерна) с применением суспензионного носителя Vector HTS-1,4 по сравнению с абразивом F-400 (острая краеугольная форма зерна), применяемым в сочетании с ПАВ-глицерином [72].
На рис.28 и 29 представлен набор СРТ после ДСШ на разрезных шлифовальниках и последующего удаления нарушений щелочным травлением с общим съемом на две стороны 30 мкм (технологический съем). Из Рис.28а видно, что после ДСШ абразивом с острой краеугольной формой зерна формируется сплошной поврежденный приповерхностный слой, средняя величина ДПД от которого составляет 130-135 мкм (см. рис.27). В этом слое существует множество локальных механических повреждений, поля деформаций от которых пронизывают всю пластину насквозь.
Практическое использование результатов работы
Сравнительная схема генерации дефектов при таком виде термического окисления пластин кремния с нарушенным поврежденным слоем после двухстороннего шлифования свободным абразивом, мы полагаем, выглядит следующим образом (рис.45). Вследствие переползания и образования дислокаций в объеме материала у поверхности пластины образуется обедненная зона. Именно она
Схема генерации дефектов при термическом окислении пластин Si с нарушенным слоем после шлифования свободным абразивом с различной формой и размером зерна. препятствует обнаружению изолированных ОДУ при контроле пластин с поврежденным приповерхностным слоем. Применение же кислотного травителя (или химико - механического полирования) для прецизионного послойного съема позволяет обнаружить и подсчитать плотность ОДУ.
После подсчета изолированных ОДУ на пластинах по 7 полям 2 - мя операторами были построены гистограммы распределения плотности ОДУ на пластинах после двухстороннего шлифования свободным абразивом и последующего послойного кислотного травления (рис.46). Видно, что значения плотности ОДУ на пластинах кремния, обработанных предварительно шлифованием свободным абразивом с плоской гексагональной формой и средним размером зерна 10 мкм, значительно ниже (на 1,0 - 1,5 порядка), чем на пластинах, обработанных абразивом с краеугольной острой формой. Хотя при используемом в эксперименте режиме окисления присутствует влияние FPD-дефектов, СОР-дефектов, преципитатов SiOx и силицидов металлов на генерацию ОДУ, все же полученные данные косвенно подтверждают данные о том, что глубина приповерхностных повреждений меньше в случае двухстороннего шлифования пластин свободным абразивом с плоской гексагональной формой зерна.
Рассмотрим вторую схему окисления. Режим данного вида окисления предполагает следующие параметры: 1) Температура окисления Т = (1200 ± 10)С; 2) Время окисления - (180 ± 1) мин; 3) Среда - сухой Ог; 4) Расход кислорода- 150 л/ч. Данный режим предполагает отсутствие влияния на генерацию ОДУ таких дефектов как СОР-дефекты (отжигаются полностью при Т = 1200С), FPD- дефекты (отжигаются полностью при Т 1150С),
Гистограммы распределения плотности ОДУ на образцах после шлифования свободным абразивом, последующего послойного кислотного травления и термического окисления (режим №1). силициды металлов (растворяются при Т = 950С). Генерировать ОДУ соответственно способны преципитаты SiOx (растворяются при Т 1200С) и непосредственно поверхностные и приповерхностные повреждения (начинают отжигаться при Т 1100С). То есть рассматриваемая схема окисления является наиболее качественной для косвенного определения глубины и структуры нарушений, привносимых на предварительном этапе двухстороннего шлифования свободным абразивом различной формы и зернистости, по плотности ОДУ.
Гистограммы распределения плотности ОДУ в данном эксперименте представлены на рис.47. Здесь, в отличие от первого эксперимента, более четко прослеживается тот факт, что вторичные дефекты ОДУ генерируются с меньшей плотностью на пластинах после предварительной абразивной обработки с использованием абразива плоской гексагональной формы и средним размером зерна 10 мкм. Распределение описанной гистограммы более узкое и значения плотности ОДУ составляют порядка 1 10 см" . Различие в структуре и глубине повреждений при шлифовании различными по форме и размеру зерна абразивами хорошо подтверждается характером распределения вторичных дефектов (ОДУ) на глубине пластин после термического окисления.
Проведенные эксперименты по косвенному определению глубины и структуры остаточных механических приповерхностных повреждений после двухстороннего шлифования свободным абразивом с различной формой и размером зерна подтвердили предыдущие исследования и показали, что генерация вторичных дефектов ОДУ в объеме пластины после окисления происходит с меньшей плотностью в случае, когда предварительно пластины были обработаны плоским гексагональным абразивом со средним размером зерна 10 мкм.
Пластины после проведения шлифования свободным абразивом с плоской гексагональной формой зерна (PWA15) в первом случае и острой краеугольной формой зерна (F400) и последующего съема с помощью ХМП на различную глубину, подвергали очистке с использованием на окончательной стадии очистки раствора SC-2. После стадии очистки пластины окисляли в соответствии с режимом №1. Затем после удаления слоя БіОг образцы избирательно травили в травителе Secco в течение 1 мин без агитации травителя.
В соответствии с методикой ф. Siltec оценивали среднюю плотность дефектов разного рода: изолированных ОДУ, скоплений ОДУ и дислокационных розеток. Строили зависимости плотности дефектов разного рода и их суммы от величины съема при ХМП (рис.48а,б).
При малых величинах съема при ХМП (до 10-15 мкм) с предшествующей перед этим операцией двухстороннего шлифования свободным абразивом с пластинчатой формой зерна превалирующим видом дефектов являются скопления дефектов - в основном дислокационные розетки. При больших величинах съема превалируют уже изолированные ОДУ. Минимум суммарных нарушений соответствует глубине -30 мкм. При больших величинах съема вновь идет накопление дефектов. Данные металлографических наблюдений хорошо коррелируют с ранее полученными данными рентгеновских исследований по зависимости ширины КДО от величины съема при ХМП (рис.30), когда после съема 30 мкм вновь наблюдали увеличение ширины КДО.
