1

О качестве промывки подложек судят по значению удельного сопротивления воды на входе и выходе промывочной камеры. Обычно промывку ведут до тех пор, пока сопротивление воды на выходе не сравняется с сопротивлением воды на входе промывочной камеры.

14 Химическая, химико-динамическая, электрохимическая и плазмохимическая

обработка полупроводниковых пластин.

Химическая обработка полупроводниковых пластин.

Процесс химической обработки полупроводниковых подложек состоит в растворении их поверхностного слоя под действием кислотных или щелочных травителей.

Избыток травителя и фиксация температуры позволяют производить процесс химической обработки с постоянной скоростью и таким образом точно рассчитать толщину удаляемого слоя полупроводникового материала.

Однако следует учитывать тот факт, что скорость травления слоя, нарушенного при механической обработке, значительно выше, чем скорость травления исходного ненарушенного материала.

________________________________________________________________

Травление германия. Основными составными частями травителей для германия является азотная и плавиковая кислоты, а также перекись водорода. Азотная кислота является сильным окислителем германия, а плавиковая хорошо растворяет диоксид германия. При использовании в качестве травителя перекиси водорода химическая обработка германия проводится при температуре 70—80°С. К основным частям травителя иногда вводят добавки, которые играют роль ускорителей химической реакции (бром) или замедлителей (уксусная кислота).

Травление кремния. Химическая инертность кремния объясняется наличием на исходной пластине оксидной пленки, которая растворима только в водных растворах щелочей и плавиковой кислоты. Поэтому для химической обработки кремния используют два вида травителей; кислотный и щелочный. В качестве кислотных травителей применяют различные смеси азотной и плавиковой кислот.

За счет разницы в концентрации травителя у выступов и впадин, которые имеют место на поверхности кремния, происходит более быстрое растворение выступов. Это приводит к сглаживанию. Поверхности полупроводниковой подложки.

В качестве щелочных травителей используют водные (10—20%) растворы КОН и

NaOH. Травление кремния в щелочных составах проводят при температуре 90—l00°C.

Обработка в щелочных травителях не дает желаемой зеркальной поверхности кремния,

поэтому данный вид травителя в качестве полирующего не нашел широкого практического применения в промышленности. Однако щелочный травитель часто используют для так называемого анизотропного травления, т. е. в тех случаях, когда требуется вытравить на поверхности подложки лунку определенной формы. Особый интерес представляют лунки V-образной формы, широко используемые для изоляции отдельных областей ИС.

Селективным травителем для кремния является смесь N2H4 с водой. Этот травитель обеспечивает высокую скорость травления кремния (около 0,05 мкм/с при температуре

120°С) в направлении перпендикулярном плоскости подложки и совпадающем с кристаллографической плоскостью (100).

Химико-динамическая обработка полупроводниковых пластин.

Если проводить процесс химической обработки таким образом, что исходная полупроводниковая подложка будет находиться в статическом (неподвижном) положении,

то процесс растворения полупроводникового материала будет проходить неравномерно по всей поверхности подложки. Это объясняется различной концентрацией травильного раствора на различных участков поверхности, неравномерным выделением теплоты на неровностях поверхности подложки, неравномерным подводом травителя к разным участкам подложки.

Для устранения этих нежелательных эффектов в полупроводниковой технологии применяют так называемую химико-динамическую обработку полупроводниковых подложек. Принцип химикодинамической обработки заключается в активном

перемешивании травителя непосредственно у поверхности подложки и постоянном вращении подложки в объеме травителя. Перемешивание травителя способствует быстрейшему выравниванию состава травителя по всему объему травильной камеры и,

как следствие, приводит к равномерности процесса химической обработки полупроводниковой подложки.

Установка химико-динамического травления полупроводниковых подложек включает в себя в качестве основного узла фторопластовый барабан-стакан, в который помещены кассеты с подложками. Барабан-стакан наклонен к плоскости нормали под углом 20—40° и соединен через редуктор с валом двигателя. При включении двигателя барабан-стакан начинает вращаться с заданной скоростью, а помещенные внутрь кассеты с подложками перекатываются по его внутренней поверхности.

Установка снабжена автоматическим устройством для загрузки и выгрузки кассет с подложками, а также для плавной регулировки скорости перемещения подложек в процессе травления. Ванны для травления, а также емкости с запасом кислот полностью изолированы от оператора, что гарантирует безопасность проведения химико-

динамического процесса обработки подложек.

Электрохимическая обработка полупроводниковых пластин.

Электрохимическая обработка полупроводниковых подложек включает в себя два процесса: электролитическое анодное растворение и анодно-механическое травление полупроводниковых материалов.

Процесс электролитического анодного растворения осуществляют, подавая на подложку, погруженную в электролит, положительный потенциал. Химические превращения происходят там, где ионный механизм электропроводности в растворе изменяется на электронный в полупроводнике и металле. Весь процесс является окислительно-восстановительной реакцией, причем анод служит окислителем, так как он принимает электроны, а катод—восстановителем, так как он отдает их.

Обработка в смеси (H2S+H2). Взаимодействие кремния с сероводородом происходит при высоких рабочих температурах (порядка 1200°С). Реакция имеет вид

Si(тв)+ H2S(газ) = SiS(пар) + Н2(газ).

Для обработки кремния используют 0,5%-ный сероводород в потоке водорода. Основным недостатком сероводорода является его токсичность. Эпитаксиальные слои, выращенные на кремниевых обработанных в парогазовой смеси (H2S+H2), содержат меньшее количество дефектов упаковки и посторонних включений.

Обработка в смеси (SF6+H2). В отличие от сероводорода гексафторид серы является веществом нетоксичным. Его использование для парогазовой обработки кремния дает возможность снизить рабочую температуру процесса до 1000° С. Реакция взаимодействия имеет вид:

5Si(тв)+2SF6(пap)=2SiS(пap)+3SiF4(пар)

Процесс обработки в смеси (SF6+H2) используют для локального травления кремния. Он позволяет получать углубления (лунки) с плоским дном и перпендикулярными боковыми гранями.

Плазмохимическая обработка полупроводниковых пластин.

Плазмохимическая обработка используется в процессах удаления поверхностного слоя материала подложки, находящейся в твердой фазе, при взаимодействии этой подложки с плазмой активных газов или смесей газов. В этом случае протекает процесс реактивного травления материала подложки.

Процесс плазмохимической обработки подложек отличается от ионно-плазменного процесса тем, что удаление вещества с поверхности подложки происходит не только в результате бомбардировки ее положительно заряженными ионами плазмы, но и вследствие химического взаимодействия подложки с активными реагентами плазмы.

Способ плазмохимической обработки подложек обладает рядом преимуществ. Во-

первых, он легко управляем и позволяет проводить регулировку режима на всех стадиях его проведения. Bo-вторых, он имеет незначительную инерционность. В-третьих, это процесс «сухой», не требующий жидких травителей. В-четвертых, плазмохимический способ обладает высокой разрешающей способностью и точностью обработки поверхности подложки.

При плазмохимической обработке можно совместить в одной камере несколько различных технологических операций: очистку поверхности, травление и осаждение новых слоев. Это позволяет резко снизить возможность загрязнения подложек, а также исключить такие трудоемкие технологические операции, как промывка и сушка подложек.

Изотропное травление кремния проводят в газовой смеси CF4+O2+N2. В

низкотемпературной плазме происходит разложение СF4 с выделением иона фтора.

Молекулы кислорода, заполняющие рабочую камеру, ионизируются и легко взаимодействуют с поверхностью кремния до ее окисления. Ионы фтора взаимодействуют со слоем окисла с образованием легколетучего соединения SiF4, которое быстро удаляется с поверхности подложки. Наличие азота в данной смеси способствует ионизации кислорода в условиях низкотемпературной плазмы.

Анизотропное травление кремния проводят в различных газовых смесях, которые позволяют выбрать нужный коэффициент анизотропии. Например, отношение скорости травления кремния по плоскости (100) к скорости травления кремния по плоскости (111)

составляет 30 для CCl4+O2, 1,1 для С2F6+O2, 0,8 для C2Cl2F4+O2.

15 Вакуумная очистка поверхности пластин: метод термической десорбции, ионное

травление, метод получения чистой поверхности путем напыления, метод очистки с использованием каталитических реакций, метод скола в вакууме.

Вакуумная очистка поверхности реализуется с помощью следующих методов:

1)метод термической десорбции;

2)ионное травление;

3)метод получения чистой поверхности путем напыления;

4)метод очистки с использованием каталитических реакций;

5)метод скола в вакууме.

Метод термической десорбции

Метод термической десорбции основан на том, что в процессе нагрева поверхности в вакууме до определенных температур происходит разрушение связей физически и химически адсорбированных молекул с поверхностью и понижение концентрации этих молекул вблизи поверхности. Данный метод чаще применяется для очистки металлических поверхностей, т.к. в этом случае нагрев можно осуществлять путем пропускания электрического тока через образец или индукционно в электромагнитном поле высокой частоты.

При отжиге в условиях глубокого вакуума удаляются почти все поверхностные загрязнения – остатки промывочных жидкостей, различных органических и неорганических соединений. Образующиеся летучие продукты откачиваются вакуумными насосами. При достаточно высокой температуре и продолжительности прогрева на поверхности остаются лишь термостойкие химические соединения или элементы (например, углерод).

К недостаткам метода термической десорбции относится то обстоятельство, что он требует создания высоких температур, зачастую превышающих температуру плавления металла. Исключение составляют тугоплавкие металлы: W, Mo, Ta, Ti, V. Кроме того, применение метода термической десорбции может приводить к существенному изменению структуры поверхности за счет испарения атомов металла и явления рекристаллизации. Следует иметь также в виду, что высокотемпературный нагрев образца ускоряет процесс диффузии примесных атомов к поверхности, что приводит к ее загрязнению.

Ионное травление

Эффективным методом очистки поверхности является ионное травление, или бомбардировка поверхности в высоком вакууме ионами с энергией 102 – 105 эВ, которые,

попадая на мишень, распыляют поверхностный слой, удаляя тем самым адсорбированные атомы и окисные пленки. По тому, как организуется поток ионов, различают несколько способов ионного травления.

Тлеющий разряд. Процесс распыления в этом случае наблюдается на катоде и называется «катодным распылением». Давление газа, ионы которого используются для травления, составляет (10 – 103) Па, т.е. длина свободного пробега молекул газа мала по сравнению с характерным размером разрядного объема. Поэтому возможны многократные столкновения между газовыми частицами в разряде, что в свою очередь может привести к образованию многократных ионов и к ионизации распыленных частиц.

Газовый разряд низкого давления в магнитном поле. Чтобы уменьшить эффект многократного столкновения в газовой плазме и исключить ионизацию распыленных атомов, применяют газовый разряд при давлении (1 – 10-1 Па).

Поскольку при этом длина свободного пробега молекул газа примерно равна размеру разрядного промежутка или больше, то уменьшается вероятность ионизации газа электронами. Для создания плотного потока ионов при бомбардировке, предотвращения процессов многократной перезарядки разрядный промежуток помещают в постоянное магнитное поле, параллельное направлению разряда. Энергия ионов в этом случае должна быть достаточно высока, поскольку в магнитном поле их траектория может измениться, и ионы будут попадать на мишень неравномерно.

Метод плазмы. Плазма низкого давления (10-1 – 10-2 Па) получается с помощью ртутного дугового разряда между анодом и жидким ртутным катодом. Разряд стабилизируется и поддерживается с помощью вспомогательного анода. Сетка, помещенная между анодом и катодом, позволяет изменять плотность плазмы вблизи анода. В этом случае вокруг мишени образуется ионное облако и происходит травление. Кинетическая энергия ионов определяется напряжением между мишенью и анодом.

Метод ионных пучков. Этот метод основан на применении специальных устройств, называемых ионными пушками. В ионной пушке, которая находится в вакууме, ионизируются молекулы газа (например, аргона), ионы ускоряются электростатическим полем, коллимируются в пучок известной геометрии и направляются на очищаемую поверхность.

Поскольку глубина проникновения ионов в процессе травления поверхности значительна (ионы Ar+ при E к = 103 эВ проникают в медный образец на глубину ~ 1 нм), то обычно после ионной бомбардировки проводят отжиг образца с целью удаления имплантированных атомов обратной диффузией. Ионная очистка и отжиг поверхности производится в атмосфере остаточных газов с давлением ниже 10-7 Па для избежания повторного загрязнения поверхности хемосорбентами. Другой недостаток метода ионных пучков – это появление физических неоднородностей на поверхности при бомбардировке.

Метод получения чистых поверхностей путем напыления.

Перед началом напыления производится длительный отжиг в вакууме 10-7 Па материала подложек с целью их очистки. Удобными для напыления являются легкоплавкие металлы типаZn, Ag, Ni, Pt, Au и окислы типа Al2O3 и SiO2. Для получения

чистой поверхности и сохранения ее в течение достаточно длительного промежутка времени необходимо в процессе напыления поддерживать вакуум 10-6 Па.

Метод очистки с использованием каталитических реакций

Этот метод применяется в тех случаях, когда использование других методов очистки невозможно или требуется существенно снизить температуру нагрева поверхности при ее термической очистке.

Метод скола

Метод скола является одним из распространенных методов подготовки поверхности в вакууме. Хрупкие монокристаллические материалы, в особенности полупроводники, легко расколоть по определенным кристаллографическим направлениям с помощью специального устройства. В результате скола в условиях сверхвысокого вакуума можно подготовить гладкие поверхности в атомарно чистом состоянии с площадью в несколько квадратных миллиметров.

Метод скола монокристалла применяется в основном при структурных и электрических измерениях. Образец располагается на держателе в вакуумной камере, где он предварительно подвергается дегазации, и затем скалывается ударником в виде молоточка или лезвия, который приводится в действие снаружи вакуумной камеры. На кристаллах, требующих больших усилий для скола, предварительно делается надрез в том месте, где планируется сделать скол. При раскалывании кристалла в сверхвысоком вакууме может выделяться газ и вследствие этого кратковременно повышаться давление в камере. Например, при раскалывании кристаллов германия давление возрастает от 10-5 до 10-3 Па, а раскалывании кристаллов кремния оно изменяется от 10-6 до 10-5 Па. При снижении этого эффекта кристаллы предварительно прогреваются в вакууме.

На сколотой поверхности кристалла нарушается стабильное равновесие атомов, так как во время скола возникает пластическая деформация, приходящая к локальным дефектам вблизи поверхности. Последующим отжигом образца метастабильную структуру переводят в равновесное состояние. Свежие поверхности скола часто бывают заряженными и эмитируют электроны и кванты в течение длительного времени. Эти процессы могут влиять на химическую активность чистой поверхности. Поэтому при изучении физико-химических процессов на поверхности, полученной методом скола, необходимо учитывать возможность появления таких поверхностных состояний и кристаллической перестройки поверхности.

16 Литографические процессы. Фоторезисты. Изготовление шаблонов.

Литографические процессы

Одним из определяющих технологических процессов в микроэлектронике в течение более 40 лет продолжает оставаться литография. Литография или микролитография, нанолитография предназначена для создания топологического рисунка на поверхности пластины. Фотолитография - процесс избирательного травления поверхностного слоя с использованием защитной фотомаски. Базовый литографический процесс представлен на рис. 1 и включает в себя, по крайней мере, 10 ступеней.

1.подготовка поверхности (промывка и сушка)

2.нанесение резиста (тонкая пленка полимера наносится ценрифугированием)

3.сушка (удаление растворителя и перевод резиста в твердую растворимую фазу)

4.совмещение фотошаблона и экспонирование (положительный резист под действием света переходит в нерастворимую фазу)

5.проявление резиста (промывка в растворителе, удаляющем неэкспонированный резист)

6.стабилизирующий отжиг (удаление остатков растворителя)

7.контроль и исправление дефектов