Технологические процессы полупроводникового производства процессоров. Получение монокристалла и полупроводниковых подложек Содержание 1. Введение 2. Кремний ЂЂЂ строительный элемент 2.1. Кремний и германий 2.2. Кристаллическая решетка кремния 2.2.1. Несовершенства и дефекты кристаллической решетки 2.2.1.1. Примеси 2.2.1.2. Дефекты 2.2.1.3. Дислокации 2.2.1.3.1. Линейные дислокации 2.2.1.3.2. Винтовые дислокации 2.2.2. Индексы Миллера 3. Технологические процессы производства 3.1. Технологический процесс и топологические нормы 3.2. Технологические процессы получения полупроводниковых пластин 3.2.1. Технологический процесс получения монокристаллического слитка кремния 3.2.2. Абразивные материалы 3.2.2.1. Механическая обработка свободным абразивом 3.2.2.2. Механическая обработка связанным абразивом 3.2.3. Технологический процесс резки монокристаллического слитка на полупроводниковые пластины 3.2.4. Технологический процесс резки полупроводниковых пластин на кристаллы 3.2.5. Качество поверхности полупроводниковых пластин 3.2.6. Технологический процесс обработки полупроводниковых пластин 3.2.6.1. Механическая обработка полупроводниковых пластин 3.2.6.1.1. Шлифовка полупроводниковых пластин 3.2.6.1.2. Полировка полупроводниковых пластин 3.2.6.2. Химическая обработка полупроводниковых пластин 3.2.6.2.1. Виды загрязнений полупроводниковых пластин 3.2.6.2.2. Отмывка полупроводниковых пластин 3.2.6.2.3. Требования к чистоте помещений 1. Введение Изначально данный материал не планировался, и немалая его часть собиралась по-крупицам достаточно долгое время безо всяких целей. Все, что здесь описано, по-моему мнению, является достаточно важным даже для общего понимания технологических процессов в современном производстве интегральных микросхем. Все те вопросы которые возникали у автора, в итоге вылились в интенсивный поиск ответов на них. Таким образом, чтобы упорядочить почти всю схему производственного цикла и был написан этот материал (2 Часть, возможно, будет также написана). Вся информация собиралась из многочисленных источников, датированных большим временным разбросом, поэтому попрошу этот материал не оценивать слишком строго и не рассматривать его как полную и истинную картину какого-либо производства или фабрики, а воспринимать его как общие принципы. Поэтому я надеюсь, что этот материал будет интересен и полезен всем, кому интересны не только принципы действия различных процессоров, видеочипов и других интегральных микросхем, но и их структура, как и из чего они созданы. Материал разбит на две большие части, первую ЂЂЂ ЂЂЂКремний ЂЂЂ строительный элементЂЂЂ, рассказывающий о главном исходном материале во всем производстве и вторую, основную ЂЂЂ ЂЂЂТехнологические процессы производстваЂЂЂ, рассказывающей о цикле основных технологических этапов производства микросхем, от получения монокристаллических слитков кремния до завершающих этапов обработки кремниевых подложек (в данном материале ЂЂЂ до подготовки подложек). 2. Кремний ЂЂЂ строительный элемент 2.1. Кремний и германий Полупроводниковые материалы по химическому составу можно разделить на две группы: простые и сложные. К простым относятся германий и кремний. В группу сложных полупроводниковых материалов входят химические соединения, обладающие полупроводниковыми свойствами и включающие в себя два, три и более элементов. Практическое применение для изготовления интегральных микросхем нашел только кремний. Кремний ЂЂЂ элемент IV группы периодической системы с атомным номером 14. После кислорода кремний ЂЂЂ самый распространенный элемент в природе. Он составляет примерно четверть веса земной коры. Многочисленные соединения кремния (наиболее распространеным является диоксид кремния) входят в большинство горных пород и минералов. Песок и глина, образующие минеральную часть почвы, также представляют собой соединения кремния. Свободный диоксид кремния SiO2 встречается главным образом в виде минерала ЂЂЂ кварца. В свободном состоянии кремний в природе не встречается. Кристаллизуется кремний в кубической пространственной решетке типа алмаза. Кристаллический кремний ЂЂЂ темно-серое вещество, твердое и хрупкое с металлическим блеском, химически довольно инертное. При комнатной температуре химически устойчив, в воде не растворим. Плотность твердого кремния при комнатной температуре ЂЂЂ 2.32 (г/см^3), жидкого (при температуре плавления) ЂЂЂ 2.53 (г/см^3). Температура плавления кремния 1420 Градусов по Цельсию, кипит кремний при температуре 2477 Градусов по Цельсию и давлении 10^5 Па. Относительная диэлектрическая проницаемость 11.7, число атомов в 1 см^3 при 298 К равно 4.99*10^22, удельная теплоемкость при 298 К равна 0.75 (Дж/(г*С)), коэффициент теплопроводности 1.2 Вт/(см*С), подвижность электронов при 300 К почти в 3 раза выше подвижности дырок, концентрация собственных носителей 1.5*10^10 см^(-3). Основными соединениями кремния, которые используются в полупроводниковом производстве, являются диоксид кремния, оксид кремния, тетрахлорид кремния, трихлорсилан и моносилан. Германий принадлежит к IV группе периодической системы элементов, атомный номер 32, обладает характерным блеском. Температура плавления германия ЂЂЂ 937 Градусов по Цельсию, плотность 5.35 (г/см^3) и 5.57 (г/см^3) соответственно, температура кипения германия при 10^5 Па равна 2700 Градусам по Цельсию. Германий тверд и хрупок, его механическая обработка затруднена. Химически устойчив на воздухе при комнатной температуре, не растворим в воде. При нагревании до 1500 Градусов по Цельсию германий не взаимодействует с кварцем (применяется с кварцевыми и графитовыми тиглями). Содержание германия в земной коре составляет около 0.001%. Германий в ничтожных количествах (0.01 - 0.5%) содержится в цинковых рудах, угольной пыли, золе, саже и морской воде. Германий является рассеянным веществом в силикатах, сульфидных минералах, а также в минералах, представляющих собой сульфосоли. Так, содержание германия в бурых углях составляет до 100 грамм/тонну, около 10 г/т в цинковых рудах, а в иодно-колчеданных ЂЂЂ от 1 до 10 г/т. В итоге, добыча германия является сложным технологическим процессом. В результате химической переработки исходного сырья получают тетрахлорид германия, который путем дальнейшего окисления переводят в диоксид германия GeO2 ЂЂЂ порошок белого цвета. Диоксид германия затем восстанавливают в среде водорода до элементарного германия, который представляет собой порошок серого цвета и последующей термической обработки является монокристаллический германий в виде стержневидных слитков. Монокристаллический кремний занимает ведущее место среди других полупроводниковых материалов, так как он обладает рядом преимуществ. Уникальное сочетание подходящей для изготовления микросхем ширины зепрешенной зоны кремния (при 300 K равна 1.11 эВ, с ростом температуры уменьшается), отличные диэлектрические и технологические свойства и стабильность его окисла, большие природные запасы. Кремниевые микросхемы имеют малые обратные токи, работают при повышенных температурах, допускают более высокие удельные нагрузки, могут работать в области электрического пробоя p-n-перехода. Максимальные рабочие температуры, при которых могут эксплуатироваться микросхемы из того или иного полупроводникового материала, зависят от их ширины запрещенной зоны. Для германия верхний предел рабочих температур равен 80 - 100 Градусам по Цельсию, для кремния 180 ЂЂЂ 200 Градусам. Эксплуатация при низких (отрицательных) температурах зависит от энергии ионизации легирующих примесей полупроводникового материала. В случае с электронной проводимостью при температуре абсолютного нуля у атомов легирующего вещества 5-й электрон, (не участвующий в образовании связи) движется в ослабленном поле с увеличенной орбитой, радиус которой превышает постоянную решетки кристалла. При температуре, отличной от 0 K, этим электронам сообщается энергия (энергия ионизации, равная для кремния 0.04-0.05 эВ), при которой они отрываются от атома легирующего вещества (сходят с этих орбит) и приобретают способность свободно перемещаться в кристалле, превращаясь в электроны проводимости, участвующие в образовании электрического тока. При нагревании кристалла в первую очередь будут возбуждаться именно эти электроны (примесных атомов) и их концентрация будет превосходить концентрацию собственных электронов (кремния, к примеру). При дырочной проводимости собственные электроны кристалла связываются с атомами примеси и теряют способность перемещаться в решетке кристалла, в итоге в проводимости не участвуют. Образованные в валентной зоне дырки (представляющие собой вакансии (незаполненные места) электронов) основного вещества (кристалла) и будут являться носителями заряда. Поэтому при сильном нагревании кристалла полупроводника (нагрев процессора при высокой нагрузке, например) вследствие все большего возбуждения собственных электронов, вступающих в проводимость вместе с примесными и итогового роста тока процессора возрастает и его энергопотребление (для компенсации этого эффекта производители процессоров и системных плат используют специальный механизм drooping (так называемый Vdroop), немного снижающий напряжение процессора под нагрузкой, чтобы он оставался в пределах электрических спецификаций (TDP). Максимальные рабочие частоты определяются значениями подвижности электронов и дырок, а также диэлектрической проницаемостью материалов, из которых они выполнены. Прежде чем рассматривать процессы получения монокристаллических слитков кремния и их резку на подложки, необходимо ознакомиться с рядом важных параметров и свойств, свойственных полупроводникам и с происходящими при их росте (росте монокристалла) явлениями. Получение кристаллов с нужными свойствами оказывает большое влияние на получаемые электрические характеристики микросхем, их воспроизводимость, на последующие технологические этапы обработки подложки и в итоге на процент выхода годной продукции. 2.2. Кристаллическая решетка кремния Все кристаллы можно разделить по степени совершенства решетки на идеальные и реальные, а по составу ЂЂЂ на стехиометрические и нестехиометрические. Идеальные ЂЂЂ это такие кристаллы, каждый атом которых находится в положении, характеризуемом минимумом потенциальной энергии, т.е. он расположен упорядоченно как по отношению к ближайшему соседнему атому, так и по отношению к атомам всего объема кристалла. Стехиометричностью кристалла принято называть пропорциональность весового состава атомным весам в его химической формуле (идеальные кристаллы). В отличие от идеальных кристаллов в реальных или дефектных кристаллах имеются нарушения кристаллической решетки или химические примеси. Здесь не все атомы решетки упорядоченно расположены по отношению к ближайшим и дальним соседям. Реальные кристаллы по своему составу могут быть стехиометрическими и нестехиометрическими. В реальных кристаллах могут быть такие несовершенства кристаллической решетки, как структурные дефекты, примесные атомы, дислокации. Уже начиная с начального этапа производства - выращивания слитка кремния, его совершенство и несовершенства начинают влиять на воспроизводимость параметров. Все последующие технологические процессы только усилят пагубность несовершенств кристаллической решетки (вплоть до брака). Об этих дефектах речь пойдет чуть позже. При достаточном сближении частиц между ними возникают силы взаимодействия. Независимо от природы этих сил, общий характер их остается одинаковым ЂЂЂ на относительно больших расстояниях возникают силы притяжения, быстро увеличивающиеся с уменьшением расстояния между частицами, на малых расстояниях возникают силы отталкивания, которые с уменьшением расстояния между частицами увеличиваются значительно быстрее, чем силы притяжения. На определенном расстоянии (r) силы отталкивания уравновешивают силы притяжения и результирующая сила взаимодействия обращается в нуль, а энергия взаимодействия достигает минимального значения. Поэтому состояние частиц, сближенных на расстояние (r) является состоянием устойчивого равновесия, вследствие чего частицы, предоставленные сами себе, должны выстраиваться в строгом порядке на расстоянии (r) друг от друга, образуя тело с правильной внутренней структурой ЂЂЂ кристалл. Такая структура будет сохраняться до тех пор, пока энергия связи остается выше энергии теплового движения частиц. Частицы как бы закреплены в положениях равновесия. Единственной доступной для них формой движения является беспорядочное колебание около положений равновесия. Для описания правильной внутренней структуры кристаллов пользуются понятием кристаллической решетки. Различают трансляционные решетки Бравэ и решетки с базисом. Решетка, построенная путем параллельного переноса (трансляции) какого-либо узла по трем направлениям, называется трансляционной решеткой или решеткой Бравэ. Решетку можно представить в виде двух вставленных друг в друга решеток Бравэ, каждая из которых определяется трансляционными векторами. Смещение решеток друг относительно друга описывается дополнительным вектором, называемым базисным. Решетку общего типа называют решеткой с базисом. Ее можно построить с помощью тех же трансляций, что и каждую из составляющих решеток Бравэ, только при этом надо транслировать не один узел, а несколько узлов ЂЂЂ базис, задаваемый совокупностью базисных векторов. (Решетка алмаза - решетка с базисом, на рисунке ниже) Элементарная ячейка представляет собой наименьший объем кристаллического вещества в виде параллелепипеда, перемещая который вдоль трех независимых направлений можно получить весь кристалл. Во всех вершинах ячеек располагаются одинаковые атомы или группы атомов. Поэтому все вершины эквивалентны друг другу. Их называют узлами кристаллической решетки (положения равновесия, относительно которых происходят тепловые колебания частиц). Для характеристики элементарной ячейки необходимо задать шесть величин: три ребра ячейки a, b, c и три угла между ними. Эти величины называются параметрами элементарной ячейки. Постоянная решетки определяется как длина элементарной ячейки вдоль одной из осей. Кристаллографические оси показывают направления кристалла и определяются ребрами элементарной ячейки. Для достижения более полного выражения симметрии решетки элементарные ячейки строят таким образом, что они содержат частицы не только в вершинах, но и в других точках. Такие ячейки называются сложными. Наиболее распространенные решетки: простая кубическая, объемноцентрированная, гранецентрированная и базоцентрированная. Существует 14 различных решеток Бравэ, которые в зависимости от степени симметрии делятся на 7 систем симметрии (сингоний): триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, тригональная, гексагональная и кубическая. Кристаллическая решетка типа алмаза и элементарная ячейка решетки Кубическая пространственная решетка типа алмаза является наиболее важной, в которой кристаллизуется большинство полупроводниковых материалов (кремний, германий и др.). Основную роль в этой решетке играет наличие тетраэдрических связей ЂЂЂ каждый атом имеет четыре ближайших соседей, связанных с ним валентными силами. Решетка типа алмаза представляет собой модификацию гранецентрированной кубической решетки и состоит из двух гранецентрированных решеток, сдвинутых одна относительно другой на 1/4 постоянной решетки. 2.2.1. Несовершенства и дефекты кристаллической решетки Структуры реальных кристаллов показывают, что их внутреннее строение может существенно отличаться от строения идеальных кристаллов. Реальные кристаллы имеют мозаичную структуру ЂЂЂ они построены из блоков правильного строения, расположенных, приблизительно, параллельно друг другу. Размеры блоков колеблются от 10^[-6] до 10^[-8] м, величина углов между ними от нескольких секунд до нескольких минут. Так как кристаллическая решетка в соприкасающихся блоках имеет различную ориентацию, то возникает переходной слой, в котором решетка постепенно переходит от одной ориентации к другой. Поэтому она в этом слое искажена по сравнению с решеткой идеального кристалла. Еще большему искажению подвергается решетка у границ зерен поликристалла (твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов.), так как ориентация зерен может отличаться друг от друга на десятки градусов. Границы блоков и зерен являются носителями избыточной свободной энергии, обусловливающей повышенную скорость протекания химических реакций, полиморфных превращений, диффузии и т.д. Они являются также эффективными центрами рассеяния носителей, определяющими значительную долю электрического сопротивления тела, не исчезающего при абсолютном нуле. 2.2.1.1. Примеси Примеси, всегда и неизбежно присутствующие в твердых телах, являются наиболее важными и распространенными дефектами решетки. В зависимости от природы примесей они могут находиться в кристалле или в растворенном состоянии, или в виде включений. Процесс растворения состоит в том, что примесные атомы внедряются в промежутки между атомами кристалла или замещают часть этих атомов, размещаясь в узлах решетки. В первом случае твердый раствор называется растворо
Комментариев нет:
Отправить комментарий