Шлифование и полирование пластин

Проводят для улучшения плоскостности, подгонки под определенные размеры, получения требуемого класса чистоты поверхности. Осуществляют с помощью абразивов:

Шлифование проводят алмазом, В₄С (карбид бора), SiC, α-Al₂O₃ (корунд)

Полирование проводят Cr₂O₃, SiO₂, оксидами и карбидами РЗЭ.

Твердость по Моосу у алмаза - 10, B₄C - 10, SiC - 9.5, Al₂O₃ - 9.2, Cr₂O₃ - 7-8, Si - 7, Ge - 6, GaAs - 4.5.

Обозначение абразивов: А - алмаз природный, АС - алмаз синтетический, КБ - карбид В, КЗ - SiC (зеленый), КЧ - SiC(черный), ЭБ - электрокорунд, КЗМ – 14 - SiC зеленый с диаметром 14 мкм.

Для алмазных порошков указанны верхние и нижние пределы размеров. АСМ-3/2 – алмаз синтетический от 3 до 2 мкм. Пасты могут быть водорастворимыми «В» и «М»-мазеобразными и т.д.

Шлифование позволяет получить 3 - 12 кл поверхности. Проводят микропорошками от 28 до 3 мкм или алмазными шлифовальными кругами зернистостью от 120 до 5 мкм. На твердых шлифовальных дисках из чугуна, стали, стекла.

Полирование – проводят на мягких подложках из фетра, велюра, батиста, пропитанных абразивными пастами на жировой основе с диаметром абразива от 3 до 0,25 мкм. Класс чистоты соответствует 10 и выше. Более высокий класс чистоты дают Cr₂O₃, ZnO₂, SiO₂. Разновидностью является химико-механическое полирование (в состав суспензии входят соли меди и фторсодержащие вещества). Максимальная скорость удаления кремния имеет место при скорости вращения диска ~ 1500 об/мин.

Шлифование проводят в 2 - 3 этапа, а полировку в 2 этапа:

1. предварительное шлифование SiC 14 мкм до 6-7 (удаляется 50 мкм, υ=1,5 мкм/мин);

2. основное шлифование SiC 10 мкм до 8-9 (удаляется 30 мкм, υ=1,0 мкм/мин);

3. окончательное шлифование α-Al₂O₃ M5 до 10 (удаляется 20 мкм, υ=0,17 мкм/мин). Алмазные круги сокращают время в 2,5 раза и используют в 2 этапа (АС-120 до 11);

4. предварительное полирование микропорошками АМ-3 и АСМ-3 (3мкм) на батисте до 13 (удаляется 25 мкм, υ=0,7-1,0 мкм/мин).

5. окончательное полирование микропорошком АМ-1 (АСМ-1) или пастами АП-1 на искусственной замше до 14 (удаляется 5 мкм, υ=0,8-1,0 мкм/мин). Поверхности 13-14 класса контролируются интерференционным способом с помощью МИИ - 4 (измерительный интерференционный микроскоп Линника).

Химическая обработка поверхности полупроводника

Используется для отчистки и стабилизации поверхности, контроля качества полупроводникового материала, профилирования поверхности, создание определенного рельефа поверхности.

Механизм травления имеет в своей основе окислительно-восстановительную реакцию с образованием растворимых комплексов полупроводника. Подчиняется законам химической кинетики.

В составе каждого травителя присутствует 2 компонента: окислитель и растворитель (комплексообразователь). Окислители  минеральные кислоты (HNO₃, H₂SO₄), пероксиды (H₂O₂, Na₂O₂), соли (K₂Cr₂O₇, KMnO₄, NaClO). Растворители  HF, HCl, KOH, NaOH и др.

В состав травителей также могут входить замедлители (HAc и другие карбоновые кислоты – снижают степень диссоциации минеральных кислот) и ускорители (Br₂, I₂, HBr, HJ, KBr, NaJ – дополнительные активные окислители полупроводника), а также модификаторы вязкости (глицины, гликоли, ПАВы).

Травители для Ge

а) на основе H₂O₂ – являются интегральными. Их воздействие на полупроводник не зависит от типа кристаллографической плоскости.

Состав – водный раствор пергидроля (Н₂О₂). Н₂О₂ – является окислителем, Н₂О – растворитель. Работает при нагревании. Кинетика подчиняется химическому механизму. Механизм травления:

Н₂О₂→ Н₂О + О

Ge + О → GeO + O → GeO₂

GeO₂ + H₂O → H₂GeO₂ (метогерманиевая кислота).

Скорость травления максимальна при [H₂O₂]=14%. При более высокой концентрации поверхность экранируется слоем Ge. Ускоряют процесс добавки HF или NaOH.

Травитель № 2. 1ч H₂O₂+ 1чHF+4ч H₂O. При травлении образуется комплекс GeF^2-. Это наиболее распространенное травление для поверхности [100].

Щелочно - пероксидный травитель (8ч NaOH + 100 мл 30% Н₂О₂). Работает при t=70°C. Травитель удобен для контролируемого удаления материала. Все пероксидные травители активны в свежеприготовленном состоянии.

б) травители на основе HNO₃- HF обеспечивают получению интегрально гладких поверхностей. Травитель СР-4 (25 мл HNO₃ + 15 мл HF+ 15 мл НАс +0,3 мл Br₂). После приготовления выдерживается 30 минут для активизации. Время травления 60-80 с. Полирующий эффект различен для кристаллографических плоскостей. По скорости травления они располагаются в ряд υ₁₁₀>υ₁₀₀>υ₁₁₁.

в) серебряный травитель. Наиболее распространен. Отличается селективностью (1ч HNO₃+2ч HF+ 2ч 50% р-ра AgNO₃). Селективность обеспечивается гальваническим действием ионов Ag⁺. Осаждающийся Ag удаляется промывкой в CN-растворах. υ_треб~0,2÷0,4 мкм/с. (Замена Ag на Cu дает медный травитель).

г) иодные травители (А, В, С) «А» и «С» - полирующие «С» - (150ч HNO₃ + 60чHF+ 120ч HAc +0,5ч J₂) υ_трав~0,3 мкм/с. «В» имеет υ≈0,04 мкм/с, его состав 125+25+110+0,5.

Травители для Si

А) Щелочной травитель (водный раствор КОН или NaOH 1-30%)

Температура травления 50-100°С, τ_раб1-5 мин.

Механизм процесса:

Si+2H₂O→SiO₂+2H₂ – О-В стадия.

SiO₂+х H₂O→ SiO₂·х H₂O – гидратация.

SiO₂·х H₂O + 2KOH→K₂SiO₃+(x+1) H₂O – растворение.

Окислитель - H₂O, восстановитель – КОН.

Максимальная скорость травления в 1-1,5 М КОН при 100°С.

Недостатки: загрязнение поверхности щелочными металлами, рельеф поверхности не гладкий.

Б) травители на основе HF-HNO₃

Максимальная скорость HNO₃: HF=1:4,5 используется редко.

Разновидности травителей.

Марка	Состав	Назначение	Время травления
СР-8	HNO3-2 HF-1	Хим полировка	1 – 2 мин
СЗ-4А	HNO3-5 HF-3 HAc-3	Выявление границ p-n переходов	2 – 3 мин
Травитель Уайта	HNO3-3 HF-1	Хим полировка пл [111]	15 сек
Травитель Дэша	HNO3-3 HF-1 HAc-8	Медленная хим полировка	от 1 до 16 час

Для повышения стабильности поверхностных свойств Si добавляют Na₂Cr₂O₇ (HNO₃-30мл, HF-20мл, + 1% раствора Na₂Cr₂O₇- 1 мл). Изменяя концентрацию бихромата можно делать как зеркально-гладкую поверхность, так и шероховатую.

Травители для A^IIIB^V

- бром-метанольный (содержит от 5 до 20 об. % Br₂ в метаноле (CH₃OH)). Механизм полностью не установлен (Br образ с A(III) спирторастворимые бромиды, а с B(V) газообразные гидробромиды, бромоксиды и т.д.)

Травление сопровождается сильным газовыделением, поэтому Br₂ вводят в травитель на каплям. Скорость зависит от [Br₂]. Для полировки GaP особенно хорошие результаты дает травитель (3ч С₂Н₅ОН + 1ч Br₂).

Для эпитаксиального слоя GaN, AlN, Al_xGa_1-xN используют горячие растворы H₃PO₄-H₂SO₄ (идеальной полировки не получается). Для установления дислокации и структурных нарушений используют селективные травители: HCl–HNO₃-H₂O; HF-H₂O₂-H₂O; KOH-H₂O; K₃Fe(CN)₆-KOH-H₂O.

Травители для A^IIB^VI

HCl-H₂O₂-H₂O, CrO₃-HNO₃-H₂O.

Травители для SiC

Из-за высокой химической стойкости для травления используются расплавы КОН (NaOH) при температуре 900С. Бура (Na₂B₄O₇) при температуре 800-1000°C; КОН-KNO₃ при температуре 600-750°С. Время травления 2÷10 минут.

Травители для А^IVВ^VI

HCl+H₂O₂+H₂O; K₃Fe(CN₆)+H₂O; Na₃Cit-H₂O

Электрохимическое травление

Наличие внешнего источника тока упрощает регулирование процесса травления. В качестве анода используют Ge, Si и др. полупроводники. Электролиты состоят из растворов KF – KCl, KF-HCl, KF-HNO₃, HF-H₂O. Высокое качество полировки поверхности Si получается, например, при электрохимическом травлении 10-15% раствором HF в одно или многоатомных спиртах (глицерин).

Возможна локализация электрохимического травления с помощью фотозонда. Генерация носителей в освещенном месте повышает скорость травления.

Парогазовое травление

Используют для Si, GaAs, GaP и др. Обеспечивается максимально достигаемая чистота поверхности; совместимо в одном растворе с другими процессами (эпитаксией, окислением). Реагенты F₂, Cl₂, Br₂; HF, HCl, HBr, HJ, H₂S, пары воды, фреоны. Эти реагенты в 1-5% массовой концентрации к H₂, Ar, Ne, He выпускаются промышленностью в баллонах под давлением P=100÷150 атм., t_обр=1123-1523 К.

Наиболее часто используется смесь HCl+H₂.

При этом происходят реакции:

Si+2HCl→SiCl₂↑+H₂↑ -1500K

Si+H₂O→SiO↑+H₂ – 1500K

Si+H₂S→SiS↑+H₂↑ - 1500K

Скорость травления достигает 0,25 мкм/с

Травление 5% HCl в H₂ при 1437К дает различные скорости травления граней υ[111] υ₁₀₀ : υ₁₀₀ = 1.48 : 3.0 : 3.4 мкм/мин.

Для травления GaAs используют HCl - H₂O или H₂O - H₂ при 1000°К. Продукты травления GaCl, AsCl₃ или Ga₂O, As₂O₃,As₄ - летучи.

Поверхность лейкосапфира травится в потоке H₂ при 1800К. Необходимо после механической обработки удалять слой толщиной 10-15мкм.

Al₂O₃+2H₂→Al₂O +2H₂O

Иногда используется фреон – 22 (CCl₂F₂). Качество парогазового травления выше химического, но требуются высокие температуры. Температура может вызвать тепловую генерацию дефектов.

Ионно-плазменное травление – процесс контролируемого удаления материала под действием ионов низкотемпературной плазмы в среде инертных газов или активных газов. Обеспечивает получение субмикронных размеров профиля.

Плазменное травление имеет самое высокое разрешение, широкий диапазон скоростей 1,0-10 мм/с для самых различных материалов (Si, SiO₂, Al₂O₃, Al и др.), не требует очистки поверхности после травления, легко автоматизируется. Недостаток – сложность технологического оборудования.