Wytwarzanie płyt krzemowych. Wytwarzanie monokryształu krzemu Ci cie Polerowanie mechaniczne i chemiczne Ko cowe czyszczenie, kontrola i pakowanie

Transkrypt

1 Wytwarzanie płyt krzemowych Wytwarzanie monokryształu krzemu Ci cie Polerowanie mechaniczne i chemiczne Ko cowe czyszczenie, kontrola i pakowanie

2 Wytwarzanie płyt krzemowych Wytwarzanie monokryształu krzemu Metoda Czochralskiego Wytapianie strefowe

3 Wytwarzanie monokryształu krzemu Metoda Czochralskiego Regulacja wysoko ci uchwytu Uchwyt obrotowy Zarodek kryształu Wytwarzany walec kryształu Obracaj cy si tygiel kwarcowy Roztopiony krzem Nagrzewanie indukcyjne (cz stotliwo ci radiowe) Regulacja wysoko ci tygla

4 Wytwarzanie monokryształu krzemu Metoda Czochralskiego Problemy: Wytworzenie pojedynczego bloku monokryształu (wymagana czysto krzemu %) o zało onej rezystywno ci (1-10 Ohm*cm) Utrzymanie stałej temperatury du ej masy termicznej (ok C, temperatura topnienia krzemu C)

5 Wytwarzanie monokryształu krzemu Metoda Czochralskiego

6 Wytwarzanie monokryształu krzemu Wytapianie strefowe obrót rura kwarcowa pró nia krzem polikrystaliczny roztopiona strefa nagrzewanie indukcyjne krzem monokrystaliczny zarodek kryształu

7 Wytwarzanie płyt krzemowych Ci cie 1. Odci cie sto kowych zako cze kryształu przy u yciu piły o ostrzu z ziarnami diamentu 2. Zeszlifowanie kryształu do postaci cylindrycznej o okre lonej rednicy. 3. Okre lenie orientacji sieci krystalicznej i parametrów domieszkowania kryształu Do okre lenia orientacji sieci krystalicznej wykorzysta mo na zjawisko dyfrakcji promieni rentgenowskich Poziom domieszkowania poszczególnych fragmentów kryształu okre la si poprzez pomiar rezystywno ci

8 Wytwarzanie płyt krzemowych Ci cie 4. Zeszlifowanie płaskich powierzchni wzdłu cylindra w celu oznaczenia orientacji kryształu i rodzaju domieszkowania. p-type (111) p-type (100) n-type (111)

9 Wytwarzanie płyt krzemowych Ci cie 5. Ci cie bloku kryształu na pojedyncze plastry Za pomoc ostrza pier cieniowego Odcinany pojedynczy plaster płyty krzemowej Diamentowe ostrze tn ce Tarcza tn ca

10 Wytwarzanie płyt krzemowych Ci cie Za pomoc oscyluj cego drutu tn cego Szpula odwijaj ca Rozcinany blok Drut Szpula nawijaj ca

11 Wytwarzanie płyt krzemowych Polerowanie Kraw dzie płyt s zaokr glane w celu unikni cia odprysków mog cych wyst pi w dalszych procesach technologicznych

12 Wytwarzanie płyt krzemowych Polerowanie Płyty s zgrubnie polerowane za pomoc masy polerskiej (usuwanie uszkodze powierzchni w wyniku ci cia) Ko cowe polerowanie jest kombinacj chemicznego trawienia i mechanicznego polerowania

13 Wytwarzanie płyt krzemowych Polerowanie W zale no ci od wymaga procesu technologicznego polerowanie mo e by przeprowadzane na jednej b d obu powierzchniach płyty krzemowej W niektórych przypadkach celowo wprowadza si zaburzenia sieci krystalicznej na spodniej stronie w celu wyeliminowania gromadzenia si niepo danych ładunków mog cych powsta w trakcie procesu technologicznego

14 Wytwarzanie płyt krzemowych Ko cowe czyszczenie, kontrola i pakowanie Obustronne płukanie w celu usuni cia resztek zanieczyszcze. Ko cowa kontrola płyt (poszukiwanie ewentualnych zanieczyszcze, uszkodze ) Pakowanie płyt i przygotowanie to wysyłki Procesy te przeprowadzane s w clean-roomie o klasie rz du 100.

15 Oczyszczanie płyt krzemowych Technologie VLSI i ULSI wymagaj bardzo dokładnego oczyszczenia powierzchni płyt krzemowych z wszelkich zanieczyszcze, w szczególno ci pochodzenia metalicznego i organicznego. Do oczyszczania powszechnie stosuje si proces RCA, modyfikowany cz sto w celu uzyskania wi kszej czysto ci szczególnie na potrzeby technologii ULSI

16 Oczyszczanie płyt krzemowych Zanieczyszczenia Drobiny Metale ródło Aparatura, otoczenie, gaz, dejonizowana woda, chemikalia Aparatura, chemikalia, proces trawienia i implantacji jonów Efekt Niskie napi cie przebicia tlenku bramkowego, zwarcia pomi dzy warstwami Niskie napi cie przebicia, pogorszenie jako ci zł cz, zmniejszenie czasu ycia no ników mniejszo ciowych, zmiana V t Organiczne Mikronierówno ci Rodzimy tlen Kurz, pozostało ci fotorezystu, pojemniki, chemikalia Niedoskonało ci w procesie produkcji płyt krzemowych, chemikalia Zawilgocenie otoczenia, płukanie dejonizowan wod Zmiana szybko ci utleniania Niskie napi cie przebicia, obni ruchliwo ci no ników enie Zdegradowany tlenek bramkowy, niska jako warstwy epitaksjalnej, podwy szona rezystancja kontaktów

17 Oczyszczanie płyt krzemowych Proces RCA opracowany przez Kern a w 1960 roku. Składa si on z 2 etapów: czyszczenie roztworem NH 4 OH-H 2 O 2 -H 2 O (skład 1:1:5 do 1:2:7) w temperaturze 70-80ºC (proces SC-1 standard cleaning 1) czyszczenie roztworem HCl-H 2 O 2 -H 2 O (skład 1:1:6 do 1:2:8) w temperaturze 70-80ºC (proces SC-2 standard cleaning 2)

18 Oczyszczanie płyt krzemowych Proces SC-1 i SC-2 Oba procesy bazuj na silnie utleniaj cym charakterze nadtlenku wodoru. Proces SC-1 przy wysokim ph efektywnie usuwa zanieczyszczenia pochodzenia organicznego. Proces SC-2 przy niskim ph rozpuszcza zanieczyszczenia pochodzenia metalicznego poprzez utworzenie rozpuszczalnych w roztworze zwi zków.

19 Oczyszczanie płyt krzemowych Drobiny Oczyszczanie chemiczne poprzez utlenianie i rozpuszczanie drobin oraz nieznaczne trawienie powierzchni i elektrostatyczne odpychanie Utlenianie Rozpuszczanie Trawienie powierzchni Odpychanie elektrostatyczne

20 Oczyszczanie płyt krzemowych Drobiny Oczyszczanie mo e by wspomagane np. fal ultrad wi kow o cz stotliwo ci ok. 800 khz. Nadajnik ultrad wi ków Nadajnik ultrad wi ków Nadajnik ultrad wi ków Wnikanie na styku

21 Oczyszczanie płyt krzemowych Metale Istniej dwa rodzaje mechanizmy wi za metali z powierzchni płyty krzemowej: Bezpo rednie ł czenie si z powierzchni krzemu poprzez wymian ładunków pomi dzy jonem metalu i atomem wodoru zaka czaj cego kryształ krzemowy Wł czanie atomów metalu do struktury krzemu gdy powierzchnia uległa utlenieniu

22 Oczyszczanie płyt krzemowych Metal Elektroujemno Metale Au Pt Ag Tlenek Entalpia H<0 H (kj/mol) Hg 0.79 Al 2 O Cu Si Pb Sn Ni Fe Zn Al Mg Ca Wzrost tendencji do poł czenia z Si Cr 2 O 3 CrO 2 CrO 3 Fe 3 O 4 Fe 2 O 3 SiO 2 NiO CuO Wzrost tendencji do poł czenia z warstw tlenku Na K -2.92

23 Oczyszczanie płyt krzemowych Zanieczyszczenia organiczne Zanieczyszczenia organiczne mog powodowa efekt mikromaskowania w procesach technologicznych i uniemo liwiaj pełne usuni cie z powierzchni innych zanieczyszcze i rodzimego tlenu. Usuwanie zanieczyszcze organicznych nast puje poprzez kombinacj utleniania powierzchni ozonem i czyszczenia na mokro roztworem H 2 SO 4 -H 2 O 2 (3:1 do 4:1 w temperaturze ºC). Stosuje si równie dejonizowan wod nasycon ozonem.

24 Oczyszczanie płyt krzemowych Mikronierówno ci Dla grubo ci tlenku bramkowego we współczesnych układach scalonych < 100Å mikronierówno ci maj ogromny wpływ na jako układu. Podstawowym ródłem mikronierówno ci powstaj cych w procesie czyszczenia jest trawienie powierzchni płyty krzemowej przez NH 4 OH w silnie utleniaj cym otoczeniu H 2 O 2. Wpływ ten mo na zredukowa poprzez: - zmniejszenie st enia NH 4 OH - zmniejszenie temperatury k pieli - zmniejszenie czasu czyszczenia

25 Oczyszczanie płyt krzemowych Rodzimy tlen Dla technologii ULSI z ultracienkim tlenkiem bramkowym powierzchnia musi by tak e wolna rodzimego tlenu, zako czona cz stkami wodoru. Proces ten nast puje samoistnie w wyniku reakcji z tlenem zawartym w powietrzu i rozpuszczonym w dejonizowanej wodzie. H Si Si Si H Si H H O Si + 2O 2 O O O Si Si Si O Si O H O Si Si O O O H Si

26 Oczyszczanie płyt krzemowych Rodzimy tlen Sposoby zmniejszenia zawarto ci rozpuszczonego w wodzie tlenu: Membrana odgazywuj ca (dyfuzja rozpuszczonego tlenu przez membran do pró ni) zmniejszenie st enia do 3-4*10-5 % Reakcja z N 2 H 4 lub H 2 w obecno ci katalizatora: O 2 + N 2 H 4 2H 2 O + N 2 O 2 + 2H 2 2H 2 O Nasycenie wody N 2, co zmniejsza ci nienie cz stek O 2 na powierzchni płyty krzemowej

27 Oczyszczanie płyt krzemowych Rodzimy tlen Płukanie HF pozwala na usuni cie rodzimego tlenu, 80% powierzchni zako czona jest H, pozostała atomami F, O, C. Podatno powierzchni na reagowanie zale y od orientacji sieci krystalicznej H H H HH H H H H Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si

28 Oczyszczanie płyt krzemowych Oczyszczanie na sucho Wady oczyszczania na mokro: Generacja niechcianych zwi zków na powierzchni Problemy z suszeniem Du y koszt Du e zu ycie chemikaliów Metody oczyszczania na sucho: Oparami HF/H 2 O UVOC ultraviolet-ozone clean Plazm H 2 /Ar Termiczne

29 Oczyszczanie płyt krzemowych Metoda Na mokro RCA HF Na sucho HF + H 2 O UVOC Plazma H 2 /Ar Termiczna Porównanie metod Zako czenie powierzchni 4-6 warstw SiO 2 H - F - OH -, SiO - H - Główne efekty Usuni cie zanieczyszcze organicznych, metalicznych i innych cz stek Usuni Usuni Usuni Usuniecie cz Usuni cie cz cie cz cie cz cie cz stek tlenu stek tlenu stek CH stek C / O stek tlenu