Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Особенности обработки полупроводниковых пластин бинарных ~ A IIIT соединении А В в соответствии с современными требованиями . (Литературный обзор)
1.1 Введение
1.2Требования к качеству полупроводниковых пластин бинарных соединений АШВУ <...
1.3 Физико-химические свойства полупроводниковых соединений АШВУ и их влияние на процессы обработки подложек
1.4 Основные этапы обработки полупроводниковых материалов. ^
1.5 Выводы и постановка задачи Z...
Глава П.. Методы исследования и визуализации приповерхностных нарушений, возникающих в пластинах соединений АШВУ в процессе механической и химико-механической обработки
II. 1 Разработка методики косого шлифа для определения глубины нарушенного слоя в пластинах арсенида галлия, фосфида галлия и фосфида индия :
П.2 Определение глубины нарушенного слоя методом послойного удаления материала ...
II.3 Оценка качества поверхности полупроводниковых пластин арсенида галлия, фосфида галлия и фосфида индия после проведения процесса химико-механического полирования...<г*-
П.4 Материалы, исследуемые в работе 9.7
Глава III. Разработка технологии двухстороннего шлифования свободным абразивом пластин арсенида галлия, фосфида галлия, фосфида индия большого диаметра
III. 1. Сравнительный анализ качества поверхности и геометрических параметров пластин, полученных методами резки алмазным кругом с внутренней режущей кромкой и многопроволочной резки 9.7
Ш.2 Прогнозирование глубины приповерхностных нарушений при механической обработке пластин фосфида галлия, арсенида галлия и фосфида галлия
Ш.З..Исследование глубины повреждений в приповерхностных слоях пластин при проведении процесса шлифования в зависимости от размера абразивных частиц Y.7.
III. 4 Влияние удельного давления, скорости подачи суспензии и механических свойств материала на качество проведения процесса шлифования пластин арсенида галлия, фосфида галлия и фосфида индия <Р.Ч
Ш.4 Выводы по главе III ?/$
Глава 4 Разработка технологии прецизионного химико-механического полирования пластин фосфида галлия, арсенида галлия и фосфида индия 7.:3
IV. 1. Исследование качества поверхности пластин фосфида галлия и арсенида галлия после проведения процесса одностороннего химико-механического полирования ?/.$
Ш.2. Исследование возможности снижения параметра разнотолщинности в полированных пластинах арсенида и фосфида галлия диаметром 76 мм Zfx/
IV.3 Выбор компонентов полирующей суспензии для химико- механического полирования пластин фосфида индия
IV.4 Выводы по главе IV
Выводы <.f.r
Литература
- Физико-химические свойства полупроводниковых соединений АШВУ и их влияние на процессы обработки подложек
- Определение глубины нарушенного слоя методом послойного удаления материала
- Прогнозирование глубины приповерхностных нарушений при механической обработке пластин фосфида галлия, арсенида галлия и фосфида галлия
- Исследование возможности снижения параметра разнотолщинности в полированных пластинах арсенида и фосфида галлия диаметром 76 мм
Введение к работе
Применение монокристаллических пластин соединений АШВУ в качестве основы для создания широкого спектра приборов оптоэлектроники и СВЧ-техники диктует жесткие требования как к структурному совершенству и однородности распределения электрофизических свойств, так и к качеству поверхности.
Характеристики эпитаксиальных слоев, такие как микротвердость, плотность дислокаций, подвижность носителей заряда и другие существенно зависят от качества поверхности и геометрических параметров исходной пластины. В связи с этим, получение высококачественной поверхности пластин, максимально совершенной по структуре и геометрии является исключительно важной задачей.
Увеличение объема рынка приборов на основе соединений АШВУ, в частности на основе арсенида галлия, фосфида галлия и фосфида индия, по всей видимости, будет осуществятся за счет увеличения диаметра исходных пластин. Тенденции к увеличению диаметра, с одной стороны, и постоянно растущие требования к качеству поверхности выпускаемых пластин, с другой, делают исключительно важной проблему совершенствования технологических процессов обработки пластин.
Ужесточение требований к пластинам диаметром 16 мм и более касается в первую очередь геометрических параметров пластин, в частности параметра неоднородности по толщине пластины. Параметр разнотолщинности закладывается на операции двухстороннего шлифования свободным абразивом, а остаточные приповерхностные нарушения удаляются на последующей операции химико-механического полирования. Задача состоит в том, что^бы на операции двухстороннего 1 шлифования свободным абразивом внести минимальные нарушения, что позволит снизить припуски на последующую обработку и тем самым
^
минимизировать возможность ухудшения геометрических параметров заложенных на этапе шлифования. Кроме того, детальное изучение технологических факторов проведения процесса химико-механического полирования позволит; разработать промышленную технологию получения монокристаллических пластин арсенида галлия и фосфида галлия диаметром 76 мм с минимальным значением разнотолщинности.
Целью настоящей диссертационной работы было изучение особенностей процессов двухстороннего шлифования свободным абразивом и химико-механического полирования пластин арсенида галлия, фосфида галлия и фосфида индия большого диаметра; оптимизация технологических режимов для обеспечения требуемого качества поверхности и геометрических параметров пластин для повышения экономической эффективности производства.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
Определение методики экспериментальных исследований глубины поврежденных слоев в пластинах на всех этапах механической обработки, начиная с процесса резки и далее шлифования свободным абразивом и химико-механического полирования.
Проведение прогнозирования нарушений, формируемых в пластинах полупроводниковых соединений АШВУ при шлифовании свободным абразивом. Анализ степени влияния собственных механических свойств и размера абразивного порошка, применяемого в процессе шлифования, на характер нарушений в шлифованных пластинах.
Исследование процесса двухстороннего шлифования свободным абразивом с целью определения глубины нарушенного слоя в пластинах АП1ВУ в зависимости от размера абразивных частиц шлифовальной суспензии и разработка технологии двухстороннего шлифования свободным абразивом пластин большого диаметра
4. Оптимизация режимов процесса химико-механического полирования
для получения зеркально-полированной поверхности и обеспечения
мирового уровня геометрических параметров в полированных
пластинах.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, содержит
39 рисунков, 24 таблицы и список используемой литературы из 108
наименований. Полный объем диссертации 150 страниц.
Физико-химические свойства полупроводниковых соединений АШВУ и их влияние на процессы обработки подложек
Параметры деформации отражают объемные свойства пластины. К ним относятся :
1) коробление пластины (warp) - мера деформации срединной поверхности находящейся в свободном состоянии пластины, имеющей форму выпуклости, вогнутости или чередующихся выпуклых и вогнутых участков. Количественно характеризуется как разность максимального и минимального расстояний срединное поверхности от базовой (опорной) плоскости, параллельно которой происходит сканирование измерительного датчика.
2) прогиб (bow) - мера деформации срединной поверхности находящейся в свободном состоянии пластины, имеющей центросимметричную выпуклую и вогнутую форму. Количественно прогиб характеризуется как разность максимального и минимального расстояний срединной поверхности от базовой плоскости, проходящие через три опорные точки стола, на котором располагается пластина.
Следует отметить, что под срединной поверхностью принято понимать поверхность внутри пластины, каждая точка которой находится на равном расстоянии от верхней и нижней поверхностей пластины в направлении, нормальном базовой плоскости.
В работах [20-22] был проведен анализ всего технологического процесса изготовления пластин, включающего в себя резку, двухстороннее шлифование и двухстороннее химико-механическое полирование с целью изучения изменений в геометрии пластин на каждом технологическом этапе. Показано, что TTV и прогиб изменяются в процессе производства пластин и установлены основные технологические параметры, влияющие на подобные изменения. Так, наибольшее значение TTV наблюдается в пластинах, прошедших этап химико-механического полирования. Высокое значение TTV в полированных пластинах, прежде всего, связывают с составом полирующей суспензии. Экспериментально доказано, что повышение концентрации абразивной составляющей в полирующей суспензии позволяет снизить TTV в партии полированных пластин арсенида галлия с 8 мкм до 3 мкм. Также установлены основные технологические режимы, регулирование которых на каждом технологическом этапе позволит минимизировать значение TTV и прогиба пластин. Основные выводьг сделанные авторами, представлены в таблице 1.4
К подобным же выводам пришли и авторы [20] На примере арсенида галлия проведен анализ влияние толщины на величину прогиба пластины после операции резки. Прогиб во всех исследуемых пластинах имел седлообразный вид и форма "седла" соответствовала кристаллографической ориентации. Подобная форма пластин после операции резки объясняется особенностью кристаллографического строения и эффектом сгибающих напряжений, возникающих из-за наличия нарушенного слоя на поверхности обоих сторон пластины. Кроме того, было установлено, что значение прогиба находится в прямой зависимости от толщины пластины: с увеличением толщины пластины арсенида галлия величина прогиба уменьшалась. Рис 1.2
Из изложенного выше следует, что процесс изготовления пластин удовлетворяющих современным требованиям представляет собой сложную технологическую проблему. Кроме того, отмеченные выше аналитические прогнозы увеличения уровня продаж оптоэлектронных приборов, изготовляемых на основе соединений А1ПВУ , по всей видимости, будут осуществятся за счет использования в процессе производства приборов пластин диаметром 76 мм и более. Целесообразность перехода к использованию пластин соединений АШВУ большого диаметра диктуется в первую очередь экономическими соображениями, те есть возможностью изготовления большего количества приборов с одной пластины .(Рис. 1.3) С другой стороны, при увеличении диаметра используемых пластин требования к качеству поверхности и геометрии не только не снижаются, но и становятся еще более жесткими. Задача еще более усложняется тем, что снижение припусков на обработку, диктуемое экономической целесообразностью, потребует еще больших усилий в достижении требуемых показателей качества продукции на этапе изготовления пластин полупроводниковых соединений AHIBV.
Выполнение возрастающих требований к подложкам бинарных соединений АШВУ может быть осуществлено только путем комплексного усовершенствования процессов изготовления пластин. А для построения эффективного технологического процесса механической и химико-механической обработки пластин большого диаметра необходимы объективные знания глубины и структуры нарушенного слоя и геометрических параметров пластины после каждого вида обработки, их зависимости от технологических факторов и собственных свойств обрабатываемого материала.
Определение глубины нарушенного слоя методом послойного удаления материала
Механическая обработка твердых тел связана с удалением определенной части материала рабочим инструментом. Механическая обработка всегда сопровождается деформацией, то есть изменением формы обрабатываемого материала. Известно, что деформация твердого тела бывает пластической и упругой. При пластической деформации тело изменяет свою форму под действием приложенной нагрузки и не восстанавливает исходной формы после прекращения ее действия. В процессе пластической деформации происходит изменение атомной структуры материала.
Приложение к материалу нагрузки вызывают рост внутренних напряжений, уменьшение или исчезновение которых происходит в результате образования дислокаций, двойников и других остаточных структурных дефектов. Упругая деформация полностью исчезает после снятия деформирующих нагрузок. В процессе упругой деформации временное изменение атомной структуры вызывает рост внутренних напряжений, которые восстанавливают первоначальную атомную структуру и возвращают телу исходную форму после снятия нагрузки.
Деформация материала (как пластическая, так и упругая) не может продолжаться бесконечно. При достижении определенного предела деформации происходит разрушение, сопровождающееся образованием трещин, которому обязательно предшествует пластическая деформация материала в микрообъеме.
Полупроводниковые материалы, как правило, проявляют упругие свойства с относительно малой пластической составляющей. Поэтому их механическая обработка в большинстве случаев сопровождается хрупким разрушением. Вдавливание абразивного зерна на малую глубину упруго деформирует поверхность полупроводника, и после удаления зерна деформация исчезает. При увеличении нагрузки на зерно в приповерхностных слоях образуются пластически деформированные области, в которых при дальнейшем повышении напряжений могут возникать микротрещины. Эти микротрещины проникают на определенную глубину в обрабатываемый материал и выходят на его поверхность. В результате одновременного воздействия на поверхность полупроводника большого количества зерен в приповерхностных слоях образуется густая сеть пересекающихся трещин примерно одинаковой глубины. Смежные трещины ограничивают небольшие объемы полупроводникового материала, которые довольно легко выкалываются под действием касательных нагрузок со стороны абразивных зерен. К выкалыванию ослабленных частиц материала фактически и сводится процесс абразивной обработки полупроводников.
Таким образом, шлифованная свободным абразивом поверхность имеет вид хаотически расположенных впадин и выступов с плотностью около 10,8см 2[63]
Глубина микротрещин и выколок зависит главным образом от формы и размера зерна, природы абразивного порошка, а также определяется механической прочностью полупроводникового материала. Знание глубины образованного при шлифовании нарушенного слоя, его кристаллического строения, однородности распределения по площади обрабатываемой пластины, а также воспроизводимость от партии к партии при массовом технологическом процессе их изготовления имеет принципиальное значение.
Предполагается [62], что слой с нарушенной монокристаллической структурой, полученной после проведения процесса шлифования может быть распределен по глубине на четыре различные по характеру зоны : 1- рельефно-поликристаллическая зона; 2- трещиноватая зона; VJ-P 3- зона упругих напряжений и дислокаций; 4- зона повышенной плотности дислокаций.
Исследование Si, Ge, GaAs и других материалов после резки и шлифования показало, что в рельефной зоне, которая простирается на глубину 0,3-0,5 средней высоты неровностей наблюдаются одинаковые виды нарушений и дефектов монокристаллической структуры: сколы, монокристаллические не выкрошившиеся блоки, трещины, выступы и впадины различных размеров.[63-66]. Методом электронной микроскопии обнаружены также микротрещины, концы трещин, выходы дислокаций, дислокационные петли и сетки, точечные и другие дефекты в трещиноватой зоне, протяженность которой в три- шесть раз больше первой рельефной зоны. Наличие трещин во второй зоне приводит к появлению в слое, лежащем под ней, напряжений и дислокаций, плотность которых монотонно уменьшается с глубиной. Различие в глубине нарушенного слоя от резки и от шлифования заключается в том, что после резки дефекты расположены по следам от режущей кромки алмазного диска в виде параллельных дорожек из скоплений дефектов, а в шлифованных пластинах все дефекты расположены равномерно по сечению.
Экспериментальные данные о глубине нарушенного слоя для одних и тех же материалов весьма противоречивы. Это обусловлено нечеткими представлениями о структуре и строении нарушенного слоя и применением различных методов его оценки. Вместе с тем анализ литературных данных по строению и глубине нарушенного слоя позволяет оценить среднестатистическую суммарную глубину нарушенного слоя у различных полупроводниковых материалов после резки и шлифования. Анализ показывает, что глубина нарушений довольно сильно колеблется в зависимости от типа полупроводникового материала, его механических свойств
Прогнозирование глубины приповерхностных нарушений при механической обработке пластин фосфида галлия, арсенида галлия и фосфида галлия
Качество поверхности пластин фосфида галлия. Исследовалось качество полированных пластин фосфида галлия марки ФГЭС ориентации (100). Процесс полирования осуществлялся на полировальных станках одностороннего типа марки Ю1МЗ и Speadfam полирующим составом на основе гипохлорита натрия и золя кремневой кислоты, используемом в производстве пластин фосфида галлия на предприятии ЗАО «Элма-Малахит». В качестве комплексообразователя, ответственного за образование растворимой соли окисленного элемента была выбрана нитрилотриуксусная кислота. Ее преимущество перед другими возможными комплексообразователями заключается в том, что нитрилотриуксусная кислота содержит сразу три группы -СООН, в которой атомы водорода способны замещаться на атомы галлия. Помимо этого она содержит атом азота, способный образовывать донорно-акцепторные связи с тем же атомом метала. В результате образуется устойчивое внутрикомплексное соединение, хорошо растворимое в воде.
Полирующая суспензия готовится следующим образом : в 300 мл воды растворяют 5 г нитрилотриуксусной кислоты к полученному раствору добавляют 50 мл золя кремневой кислоты марки Nalco 2360 фирмы Rodel. Раствор гипохлорита натрия подается в зону полирования отдельно, разбавленный водой в соотношении 1:3. Скорость съема материала при полировании данной суспензией составляет около 1 мкм/мин. Для устранения окисления пластин фосфида галлия на конечной стадии полирования пластины отмываются 2 % раствором сульфаминовой кислоты.
Исследование качества поверхности полированных пластин проводилось методом оптической микроскопии при увеличении 100 -400х. Результаты исследования показали, что использование полирующего состава на основе гипохлорита натрия позволяет получать полированную поверхность, не содержащую дефектов полирования, таких как царапины, риски, окисные пятна, дефекты типа "апельсиновая корка".
Проведенное сканирование поверхности полированных пластин фосфида галлия методом растровой электронной микроскопии так же показало полное отсутствие на поверхности дефектов, внесенных полированием (рис. 4.1).
Для определения уровня микрошероховатости полированной поверхности на серийных пластинах были проведены замеры с применением атомно-силового микроскопа Р-47Н производства фирмы НТ-МДТ. Полученная картина микрорельефа и результаты измерений приведены на рис.4.2. Как видно из результатов исследования, уровень максимальных отклонений Rmax находится в пределах 12 нм, а уровень среднеквадратичных отклонений Ra не превышает 0,6-0,7нм . Полученные данные свидетельствует о том, что применение данной технологии одностороннего химико-механического полирования позволяет получать пластины фосфида галлия с практически атомарно-гладкой поверхностью. Качество поверхности пластин арсенида галлия.
Исследовалось влияние состава полирующей суспензии на качество поверхности пластин арсенида галлия. Исследования проводились на пластинах арсенида галлия марки АГЧП и АГЭК ориентации (100)
В мировой практике имеется большой опыт в обработки пластин арсенида галлия[78,81-83]. Большинство авторов, освещающих проблемы химико-механической обработки пластин арсенида галлия предлагают использовать полирующие суспензии как в случае фосфида галлия на основе гипохлорита натрия.
Были проведены исследования по применению данного окислителя в суспензии для полирования арсенида галлия.. Полирование проводилось при различных значениях кислотности суспензии. Металлографические исследования показали, что после химико-механического полирования пластин в кислой и нейтральной среде на поверхности появлялись ямки травления, имеющие вид "апельсиновой корки".( рис. 4.3а) Это свидетельствует о высокой скорости процесса окисления, проходящего на поверхности пластины. Причем скорость, лимитируемая процессом диффузии окислителя к поверхности пластины была практически одинаковой как для выступов рельефа поверхности, так и для впадин, то есть не проходил процесс сглаживания поверхности. При этом скорость полирования была весьма низкой менее 0,3 мкм/ мин
Исследование возможности снижения параметра разнотолщинности в полированных пластинах арсенида и фосфида галлия диаметром 76 мм
Технология производства пластин фосфида индия в настоящее время переживает второе рождение. В мировой практике имеется опыт обработки пластин фосфида индия диаметром 76 мм [6].
На предприятии ЗАО»Элма-Малахит» налажено производство монокристаллических слитков диаметром 50 мм [108 ].
Учитывая большой прорыв в области получения монокристаллов высокого кристаллического совершенства и тенденции к увеличению диаметра данного материала (ранее известен опыт обработки пластин диаметром не более 40 мм) необходимо произвести исследования в области химико-механического полирования пластин фосфида индия с целью установления необходимых режимов полирования в свете современных тенденций.
Собственные свойства полупроводниковых бинарных соединений находятся в строгой зависимости от свойств входящих в них элементов. В ряду соединений фосфид галлия -арсенид галлия - фосфид индия, последний имеет наибольшую химическую активность катиона. Закономерное изменение свойств в ряду соединений AinBv аналогично изменению их молекулярных масс, что подтверждено экспериментально [105-107]. Это изменение вызывается одним и тем же процессом -металлизацией ионно-ковалентной связи. Увеличение доли металлической составляющей бинарных полупроводниковых соединений приводит к ослаблению общей прочности связи. Таким образом, фосфид индия обладает наибольшей активностью и наименьшими прочностными характеристиками. Высокая химическая активность фосфида индия по сравнению с фосфидом галлия дает широкие возможности в выборе состава полирующей суспензии. Однако, учитывая жесткие производственные рамки и экономические аспекты, при разработке полирующей композиции за основу при выборе оптимального состава были взяты уже успешно применяемые для обработки других полупроводниковых материалов полирующие составы.
Фосфид индия, так же как и фосфид галлия не вступает в реакцию с перекисью водорода, поэтому исключается возможность ее использования в качестве окислителя в суспензии для химико-механического полирования фосфида галлия.
Отмечается [62], что высокое качество поверхности получается при обработке фосфида индия суспензией на основе ионов трехвалентного железа. Однако такая суспензия обладает специфической ярко синей окраской, что является нетехнологичным.
За основу при разработке полирующего состава для обработки фосфида индия был взят состав, применяемый для полирования фосфида галлия. В качестве окислительного компонента использовался гипохлорит натрия. Было установлено, что оптимальной является концентрация окислителя на уровне 13% от общего объема суспензии. Увеличение концентрации гипохлорита приводило к растравливанию поверхности и появлению на пластинах эффекта «апельсиновой корки»
Изучение влияние кислотности полирующей суспензии показало, что получение качественной поверхности при оптимальной скорости съема материала на уровне 1 мкм/мин возможно лишь в узком диапазоне кислотности среды. При отклонении параметра рН от значения 2 в сторону более щелочных составов происходило к снижению скорости съема и начинался процесс травления поверхности. При полировании пластин фосфида галлия суспензией в более кислой среде на поверхности полированных пластин возникал рисочный фон.
Учитывая, что раствор гипохлорита имеет низкий уровень кислотности (рН на уровне 14), создание сильнокислой среды и требуемый уровень рН был достигнут путем использования в качестве разбавителя сульфаминовой кислоты. Даже ее небольшая концентрация до 7% от общего объема раствора позволило создать необходимый уровень кислотности. Кроме того, учитывая способность сульфаминовой кислоты образовывать легкорастворимые комплексы с атомами окисленного элемента, это позволило использовать ее как комплексообразователь в данном составе..
Полирующий состав готовился следующим образом : в 600 мл воды добавлялось 60 мл 10% раствора сульфаминовой кислоты, 100 мл гипохлорита натрия и 60 мл золя мари Nalco 2350.
Партия пластин фосфида индия марки ФИЭС ориентации (100) была обработана разработанным полирующим составом. Учитывая данные, полученные методом косого шлифа о глубине нарушенного слоя в пластинах после операции двухстороннего шлифования свободным абразивом, в процессе предварительного химико-механического полирования удалялся слой толщиной не менее 55 мкм с пластин шлифованных порошком марки F-400 (средний размер зерна 22 мкм). С пластин, шлифование которых осуществлялось абразивом марки F-500, снималось не менее 40 мкм.
С целью получения минимально возможного отклонения от среднего значения толщины на этапе предварительно полирования применялось полировальное полотно Sigal. Полирование проводилось при удельном давлении на пластины не более 0,04 кг/см2. Подача суспензии в зону полирования так же осуществлялась системой двух капельниц.
Учитывая особую мягкость пластин фосфида индия, финишное полирование проводилось на полировальном полотне с минимальной жесткостью. Для этого был выбран полировальник Politex Suprim.
