Современные требования к кремниевым пластинам большого диаметра

Московский государственный технический университет
имени  Н.Э. Баумана

Г.Р. Сагателян, Н.В. Макушина

 СОВРЕМЕННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ
К КРЕМНИЕВЫМ ПЛАСТИНАМ
БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия

М о с к в а
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2 0 0 6

УДК 621.38
ББК  32.843
          С12

Рецензенты: А.А. Ефремов, С.В. Петров

 Сагателян Г.Р., Макушина Н.В.
Современные требования к кремниевым пластинам большого диаметра: Учеб. пособие. – М.: Изд-во МГТУ им.
Н.Э. Баумана, 2006. –  50 с.: ил.

ISBN 5-7038-2926-7

Приведены современные требования к геометрической точности изготовления пластин-подложек интегральных микросхем. Рассмотрены кремниевые подложки диаметром 150 и 200 мм, а также сапфировые подложки
диаметром 100 мм. Описаны новые технологические операции, применяемые при производстве полупроводниковых пластин.
Для студентов специальности «Проектирование и производство электронной аппаратуры» и «Проектирование и технология радиоэлектронных
средств», изучающих курс «Микроэлектроника».
Ил. 17. Табл. 8.

                                                                                                                       УДК 621.38
                                                                                                             ББК 32.843

Учебное издание

Гайк Рафаэлович Сагателян
Наталья Владимировна Макушина

Современные требования к кремниевым пластинам

Редактор Е.К. Кошелева
Корректор Л.И. Малютина
Компьютерная верстка О.В. Беляевой

Подписано в печать  29.09.2006.  Формат 60×84/16. Бумага офсетная.
Печ. л. 3,25. Усл. печ. л. 2,91. Уч.-изд. л. 2,85. Тираж 200 экз.
Изд. №  38. Заказ

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская, 5.

ISBN 5-7038-2926-7                                                  © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006

С12

ВВЕДЕНИЕ

Целесообразность перехода к применению пластин кремния
диаметром более 150, 200 мм для создания сверхбольших интегральных схем (СБИС) диктуется в первую очередь экономическими соображениями. На пластинах диаметрами 150, 200 и
300 мм можно разместить, соответственно, в 2; 4,5 и 12 раз больше
кристаллов размером 20× 20 мм2, чем на пластине диаметром
100 мм. При этом коэффициент заполнения пластины кристаллами
такого размера при переходе от пластин диаметром 150 мм к пластинам диаметром 200 и 300 мм возрастает с 0,53 до 0,72 и до 0,84
соответственно.
Расчеты показывают, что при переходе от одного диаметра
пластины к другому капитальные затраты на производство одной
пластины возрастают примерно на 40 %, однако при этом выход
годных кристаллов увеличивается в 2,0–2,5 раза. Другими словами, стремление к применению пластин кремния все большего диаметра экономически целесообразно.
В настоящее время в мире действует или находится на стадии
подготовки около 50 линий по производству пластин кремния
диаметром 200 мм с производительностью до 10 тыс.  пластин в
месяц, и целый ряд компаний заявили о намерениях производить
(или уже приступили к производству на пилотных линиях) пластины кремния диаметром 300 мм.
Требования к качеству пластин кремния большого диаметра
определяются в основном процессами прецизионной микролитографии субмикронных размеров, используемой для создания
СБИС.
Задача технологического процесса обработки – удаление нарушений, возникших на первых этапах обработки, и получение
плоской, свободной от механических повреждений поверхности
пластин кремния с требуемыми параметрами плоскостности, которые закладываются на операциях шлифования свободным или связанным абразивом. Последующие операции по удалению остаточных повреждений, например химико-механическое полирование,
не должны приводить к деградации плоскостности.

Расширение номенклатуры изделий, определяемых в первую
очередь диаметром обрабатываемых монокристаллов, требует не
только существенного изменения, но и, прежде всего, создания
нового технологического оборудования, а также использования
новых инструментов и вспомогательных материалов.
Экономической целесообразностью диктуется также необходимость снижения припусков на обработку на отдельных этапах
технологического процесса. Это ведет к ужесточению требований
к точностным характеристикам видоизменяемого или вновь создаваемого технологического оборудования.
Размерный ряд технологического оборудования для обработки
пластин кремния в России не обновлялся с середины 1980-х годов,
тогда как номенклатура изделий существенно изменилась (произошел переход от промышленного выпуска пластин диаметром
50…76 мм к производству пластин диаметром 100…150 мм и
опытным образцам пластин диаметром 200 мм). В связи с этим
наряду с анализом мировых тенденций в изменении технологий и
технологического оборудования для обработки кремниевых пластин увеличенного диаметра (200 мм и более) в предлагаемом пособии рассмотрены и некоторые приемы улучшения технологии
обработки кремниевых пластин.

1. ТРЕБОВАНИЯ К ПОЛИРОВАННЫМ ПЛАСТИНАМ
МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КРЕМНИЯ

Соответствие параметров кремниевых пластин требуемым значениям контролируют в установленной зоне качества (рис. 1),
представляющей собой центральную область поверхности пластины, отделенную от контура пластины краевым участком Х. Размер
установленной зоны качества не зависит от допусков на диаметр и
длины фаски. Номинальную величину краевого участка Х указывают в заказе на партию кремниевых пластин.
Качество поверхностей кремниевых пластин оценивают по параметрам, приведенным в табл. 1, где указаны минимальные требования к наличию и размерам поверхностных дефектов. Эти требования должны использоваться при определении пригодности
кремниевой пластины для изготовления СБИС. Несовершенства,
меньшие указанных в табл. 1, не должны рассматриваться как дефекты.

Рис. 1. Фиксированный участок качества:
X – номинальное исключение контура; 1 – вспомогательный срез; 2 – граница
фиксированного участка качества; 3 – внешняя граница подложки;
4 – базовый срез
Таблица 1

Пределы дефектности полированной подложки1

Параметр
Предельно
допустимое значение
Освещение7

Рабочая поверхность

Наибольшее  количество
царапин2
Не допускаются
Интенсивное

Точки2
То же
»

Затемнения2
»
»

Максимальное количество
загрязняющих частиц на
пластинах диаметром:
2 дюйма
3 дюйма
100 мм
125 мм
150 мм

4
6
10
10
15

»

Загрязненная площадь2
Не допускается
Интенсивное
или рассеянное

Сколы и зазубрины
по краю3,5
То же
Рассеянное

Трещины, морщины5
»
»

Кратеры2
»
»

Углубления2
»
»

Канавки2
»
»

Возвышения2
»
»

Окончание табл. 1

Параметр
Предельно
допустимое значение
Освещение7

Апельсиновая корка2
Не допускаются
Рассеянное

Следы отрезного инструмента2
То же
»

Бороздки резистивности4
–
»

Нерабочая поверхность

Сколы по краям3,5
Не допускаются
»

Трещины, морщины
То же
»

Загрязненная площадь
»
»

Следы отрезного инструмента6
»
»

1Доля бракованных накопленных пластин по каждому параметру в
отдельности – 1 %, по всем перечисленным параметрам суммарно – не
более 2,5 %.
2 Наружная каемка шириной 1,57 мм исключена из рассмотрения.
3 Критерий приемки / отбраковки должен быть согласован между
пользователем и поставщиком для подложек, края которых механически
не скруглены.
4 Борозды могут быть заметны на пластинах с низким поверхностным
сопротивлением (менее 0,020 Ом⋅ см).
5 Уровень приемки партии по качеству для рабочей и нерабочей поверхностей составляет 1 % от накопленных бракованных пластин.
6 Критерий приемки / отбраковки должен быть согласован между
пользователем и поставщиком для пластин, подвергаемых операциям
доводки.
7 Условия освещенности определяются стандартом ASTM F 523
(США).

Приведем определения дефектов кремниевых пластин.
Царапиной считается любой протяженный дефект, имеющий
отношение длины к ширине более 5:1.
Точка – это любой отдельно распознаваемый изоморфный поверхностный дефект, т. е. любое отдельно различаемое неудаляемое несовершенство на поверхности, видимое при рассмотрении в
условиях интенсивного освещения.
Затемнение (лáсина) – нелокализованное рассеяние света, происходящее вследствие особенностей микрорельефа поверхности
(шероховатости) или вследствие высокой концентрации поверхностных или приповерхностных несовершенств. Затемнение фиксируют в случае, когда на полированной поверхности можно разли

чить изображение тонкой вольфрамовой нити накаливания от осветительной лампы (при некоторых условиях затемнение может
быть вызвано загрязнением поверхности).
Частица – маленький дискретный кусок инородного материала
или кремния, не соединенного кристаллографически с пластиной.
Частица может быть кусочком твердого материала либо конденсатом из жидкостей или газов. Частицы наблюдаются при автоматизированном контроле как причина рассеяния излучения лазера, но
они могут наблюдаться и визуально при высокоинтенсивном освещении как точки света; они также могут быть исследованы другими методами, включая сканирующую электронную микроскопию. С поверхности пластины частицы обычно могут быть удалены очисткой без травления.
Загрязняющей частицей называют отдельно расположенный на
поверхности или в приповерхностном слое пластины элемент, такой, как частица или точка, приводящий к повышенному рассеянию света по отношению к рассеянию света окружающей поверхностью пластины. Иногда загрязняющую частицу называют легким точечным дефектом. Любые частицы, покоящиеся на поверхности пластины и обнаруживаемые в свете коллиматора как
яркие точки, являются загрязняющими частицами.
Загрязнением по площади называют объект, непреднамеренно
привнесенный на поверхность пластины, имеющий протяженность
большую, чем единичный локализованный рассеиватель света. Загрязнением по площади может быть инородный объект на поверхности пластины, появившийся в результате наличия отметин от
технологической оснастки, отпечатков пальцев или перчаток, натиров, следов клеящих составов и растворов и т. д.
Загрязненной площадью называют любое наличие на поверхности в локализованных областях инородности, которая проявляется
при контроле в условиях освещения как обесцвечивание, блеклость или облачность в результате налипаний, натиров, водных
брызг и т. д.
Сколами и зазубринами по краям называют любые несовершенства, включая следы выхода отрезного инструмента, имеющие
размер более 0,25 мм от края к центру пластины в радиальном направлении или в длину в окружном направлении.
Трещины и морщины – это любые несовершенства, имеющие
общую длину более 0,25 мм.
Кратер – любая индивидуально различимая поверхностная
аномалия, подходящая по форме под описание и видимая при рассеянном освещении.

Углубление – это любое понижение гладкой поверхности,
имеющее диаметр более 3 мм. Обычно углублением называют
слабое понижение с плавно спадающими сторонами, которое имеет вогнутую сферическую форму и видимо невооруженным глазом
при подходящих условиях освещения.
Канавка – это любое несовершенство, которое имеет размер
более 0,13 мм в ширину или 0,76 мм в длину. Канавка на полупроводниковой пластине – это покатая царапина с закругленными
краями, которая обычно представляет собой остаток от царапины,
не полностью удаленной полированием.
Возвышение – это любой необычный участок поверхности,
имеющий протяженность более 0,25 мм в направлении наибольшего размера.
«Апельсиновая корка» – это любая визуально различимая шероховатая поверхность, соответствующая описанию, которую
можно наблюдать при рассеянном освещении.
Бороздка – любая особенность поверхности, различимая при
рассеянном освещении.
Геометрические параметры пластин регламентируются следующими стандартами: ASTMF613(США) или DIN 50441/4 (Германия). Толщину в центре пластины определяют, кроме того, по
стандартам ASTM F533; ASTM F1530 или DIN 50441/1, а длину
срезов – по ASTM F671.
В международных стандартах на геометрические параметры
пластин используют следующие определения.
Срезом на полупроводниковой пластине называют часть периферии круглой пластины, удаленную по хорде (рис. 2).

Рис. 2. Диаметр основного базового среза

Базовым срезом называют срез, который имеет наибольшую
длину и ориентирован так, что хорда параллельна кристаллографической плоскости с малым значением индексов Миллера.
Индексы Миллера – наименьшие целые числа, пропорциональные обратным величинам отрезков, отсекаемых плоскостью на
трех кристаллографических осях и измеренных в периодах кристаллической решетки.
Приняты следующие обозначения индексов Миллера:
• плоскость (111);
• семейство плоскостей {111};
• направление [111];
• семейство направлений <111>.
Вспомогательным срезом называют срез, имеющий меньшую,
по сравнению с базовым срезом длину; по расположению вспомогательного среза относительно базового идентифицируют тип
проводимости пластины и кристаллографическую ориентацию ее
рабочей поверхности (рис. 3).
Следует отметить, что типы расположения вспомогательного и
базового срезов, показанные на рис. 3, в, после 1990 г. используют
только для подложек диаметром не более 125 мм, а показанные на
рис. 3, д – для подложек диаметром 150 мм.
Размер пластины по срезу – это линейный размер, измеряемый
по поверхности полупроводниковой пластины от середины среза
через центр пластины до периферии пластины на противоположной стороне вдоль диаметра, перпендикулярного срезу (см. рис. 2).
В случае противолежащего расположения базового и вспомогательного срезов (например, для пластин {100} n-типа проводимости диаметром не более 125 мм) понятие размера пластины по срезу не применяют, поскольку диаметр, перпендикулярный срезу, не
пересекает периферийной области пластины.
В международных стандартах приняты следующие обозначения:
TV – thickness variation – изменение толщины;
TTV – total thickness variation – общее изменение толщины;
NTV – nonlinear thickness variation – нелинейное изменение
толщины;
LTV – linear thickness variation (taper) – линейное изменение
толщины;
TIR – total indicator runout – отклонение от плоскостности;
FPD – focal plane deviation – отклонение от фокальной плоскости;

Рис. 3. Ориентирование вспомогательного и базового срезов (а–д):
1 – основной базовый срез; 2 – вспомогательный базовый срез; СW –
направление ориентирования базовых срезов (по часовой стрелке).
Взаимное положение двух базовых срезов в используется для подложек
      диаметром 125 мм или меньше; д – для подложек диаметром 150 мм

RPD – reference plane deviation – отклонение от базовой плоскости (в сокращенном варианте – D);
FQA – fixed quality area – площадь контроля (в сокращенном
варианте – R);