4. Шероховатость поверхности. Нарушенный слой

Качество поверхности полупроводниковых материалов характеризуется шероховатостью поверхности и глубиной нарушенного слоя 1-4.

Шероховатость поверхности – микрорельеф реальной поверхности, представляет собой чередование впадин и выступов (неровностей), возникает в технологическом процессе обработки поверхностей. Шероховатость поверхности (рисунок 2.3) в соответствии с ГОСТ 2789 [18] оценивают средним арифметическим отклонением профиля Rа или высотой микронеровностей Rz. ГОСТ устанавливает 14 классов шероховатости поверхности. Для 6 – 12 классов шероховатости основной является шкала Rа, а для 1 – 5-го и 13 – 14-го – шкала Rz.

Шероховатость поверхности характеризуется параметрами:

Ra - среднее арифметическое отклонение профиля;

Rz - высота неровностей профиля по десяти точкам;

Рmax - наибольшая высота профиля;

Sm - средний шаг неровностей;

S - средний шаг местных выступов профиля;

tp - относительная опорная длина профиля, где р - значения уровня сечения профиля.

Для кремниевых пластин наиболее предпочтительными являются параметры Ra (для нерабочей стороны) и Rz (для рабочей стороны).

Рисунок 2.3 – Шероховатость поверхности [18]

Оценку шероховатости проводят либо сравнением поверхности контролируемой пластины с эталонной поверхностью, либо измерением высоты микронеровностей на профилографе или профилометре. В настоящее время для оценки шероховатости поверхности пластины широко используется атомарно-силовая микроскопия [19-21]. Этот метод является бесконтактным, поэтому он не вносит повреждений и загрязнений на поверхность кремния.

Профилограф (от профиль и граф) - прибор для измерения неровностей поверхности и представления результатов в виде кривой линии (профилограммы), характеризующей волнистость и шероховатость поверхности. Принцип работы профилографа заключается в последовательном ощупывании поверхности иглой, расположенной перпендикулярно к контролируемой поверхности, преобразовании колебаний иглы оптическим или электрическим способом в сигналы, которые записываются на светочувствительную плёнку или бумагу. Профилометр содержит шкалу, на которой отсчитывают значения неровности поверхности.

После резки параметры шероховатости должны находиться в пределах: Rz = (1,0 1,5) мкм, Ra = (0,2 – 0,3) мкм [4].

Нарушенный (поврежденный) слой – слой полупроводникового материала, имеющий после резки, шлифовки, полировки несовершенства кристаллической решетки полупроводника [4, 9, 22].

По своей структуре нарушенный слой имеет сложное строение и может быть разделен на следующие слои (рисунок 2.4): нарушенный рельефный слой, состоящий из хаотично расположенных выступов и впадин. Далее расположен слой, который характеризуется микротрещинами и скоплениями дислокаций (трещиноватый слой), которые являются главными дефектами резки [4]. Глубина области трещин после резки обычно не превышает 15-20 мкм. Плотность и размер трещин с глубиной уменьшаются. Затем идет слой с остаточными упругими деформациями (пластически деформированный слой и напряженный слой).

Толщина нарушенного слоя пропорциональна размеру абразивного зерна и может быть оценена по формуле (2-1) 1, 9:

F= ki, (2-1)

где k – коэффициент, для кремния - 1,7 для германия - 2,2;

i - размер зерна абразива.

Н – величина (глубина) нарушенного слоя

Поверхность образца

Край шлифа

Вид А-А

Поврежденная область

Полированная область с не сплошным краем

Край шлифа

Край (граница) поверхности

Глубина нарушенного слоя

50 мкм

Полированная поверхность шлифа

Рисунок 2.4. Нарушенный слой: (а) структура нарушенного слоя [9], (б) определение глубины нарушенного слоя при помощи косого шлифа 22, (в) нарушенный слой на косом шлифе после селективного травления 22

Глубина нарушенного слоя (damage depth) зависит от способа обработки, чем грубее обработка, тем больше нарушенный слой. На глубину нарушенного слоя влияют: режимы механической обработки, давление на полупроводниковый материал при механической обработке, ориентация поверхности кремниевой пластины. Наименьшая глубина нарушенного слоя у пластин кремния, имеющих ориентацию (111), несколько большая на пластинах ориентации (100) и (110). Глубину нарушенного слоя необходимо знать, для того чтобы правильно назначить припуск при проведении последующей обработки, обеспечив при этом полное удаление области трещин и дислокаций. При последующих обработках появляется новый нарушенный слой, только меньшего размера, который в свою очередь также необходимо удалить, при помощи более мелкого абразива.

Для определения глубины механически нарушенного слоя используют несколько способов электронографический, электрохимический, по постоянству скорости травления и др. 4, 9.

Электронографический способ заключается в последовательном стравливании тонких слоев нарушенной области и контроле поверхности полупроводниковой пластины на электронографе. Операцию стравливания проводят до того момента, когда вновь полученная поверхность полупроводниковой пластины обретет совершенную монокристаллическую структуру. Разрешающая способность данного метода лежит в пределах ± 1 мкм. Для увеличения разрешающей способности необходимо уменьшать толщину снимаемых каждый раз слоев.

Электрохимический способ основан на зависимости предельного тока анодного растворения полупроводниковой пластины от наличия дефектов на ее поверхности. Так как скорость растворения слоя с дефектами структуры значительно выше, чем бездефектного монокристаллического материала, то значение анодного тока при растворении пропорционально этой скорости. Поэтому при переходе от растворения нарушенного слоя к растворению монокристаллического материала будет наблюдаться резкое изменение скорости растворения и, как следствие, значения анодного тока. По моменту резкого изменения анодного тока судят о глубине нарушенного слоя.

Третий способ основан на том, что скорость химического травления полупроводникового материала нарушенного слоя значительно выше скорости химического травления исходного ненарушенного монокристаллического материала. Поэтому толщину механически нарушенного слоя можно определить по моменту скачкообразного изменения скорости травления.

Все перечисленные способы достаточно сложны и трудоемки, поэтому они используются при проведении отладки технологического процесса при запуске нового оборудования или при использовании нового инструмента. Оперативно проконтролировать глубину нарушенного слоя можно селективно протравливая поверхность косого шлифа и анализируя ее с помощью оптического микроскопа, как показано на рис. 2.4(б, в) [22]. Следует иметь в виду, что глубина нарушенного слоя может быть неоднородна, поэтому измерение в одной точке может быть неоднозначным.