Технология прямого icon

Технология прямого





Скачать 453.63 Kb.
НазваниеТехнология прямого
Дата30.06.2013
Размер453.63 Kb.
ТипДокументы

Глава 4. ТЕХНОЛОГИЯ ПРЯМОГО

СРАЩИВАНИЯ ПЛАСТИН КРЕМНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ХИМИЧЕСКОЙ СБОРКИ ПОВЕРХНОСТИ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОГО НАСЛАИВАНИЯ



Ниже рассмотрены различные технологические операции и схема процесса производства структур КНИ прямым сращиванием пластин кремния с использованием химической сборки поверхно­стей методами молекулярного наслаивания и газового скалывания (smart-cur процесс) (см., например, работы [1–41]).

4.1. Технологическая схема производства структур КНИ и других многослойных структур



На рис.4.1 приведена возможная технологическая схема изго­товления структур "кремний на изоляторе". Похожая схема может быть использована для получения многослойных структур Ge/Si, (GexSi1-x)/Si и тонких монокристаллических слоев кремния, герма­ния, полупроводников A3B5 и A2B6, структур "германий на изоля­торе". При этом в качестве опорной подложки могут быть исполь­зованы подложки кремния, карбида кремния, ситалла, стекла, а также керамические материалы, например, алюмонитритная кера­мика AlN, а также композиционные материалы на основе SiN, SiC и т.д. [22,27]. Согласно этой схеме предлагается использовать тех­нологию сращивания и, возможно отслаивания (отщепления) части рабочей пластины кремния по области нарушенного (пористого) слоя, образованного посредством имплантации протонов на задан­ную глубину в пластину кремния. В состав пористого слоя входят наполненные водородом нанопоры, созданные имплантацией про­тонов в слой кремния через тонкую пленку SiO2 или пористого слоя кремния, полученного электрохимическим методом.





Рис.4.1. Схема процесса получения структур КНИ с использованием методов молекулярного наслаивания, сращивания и газового скалывания


В последнем случае на поверхности пористого кремния выра­щивается эпитаксиальный слой необходимой толщины, который после прямого соединения с опорной пластиной кремния или гер­мания отслаивается (отщепляется) посредством термообработки. В другом случае часть рабочей пластины после соединения с опорной пластиной удаляется до эпитаксиального слоя с использованием механических (химико-механических) методов.

В работах [22–24] в качестве примера использован процесс от­слаивания слоя кремния с помощью специальной термообработки после имплантации ионов водорода и сращивания пластин. В этом случае общая схема производства структур КНИ при сращивании пластин кремния во влажных условиях (включая химическую сборку поверхности методом молекулярного наслаивания) соответ­ствует в технологической схеме, изображенной на рис.4.1. В спе­циально окисленную рабочую пластину кремния (толщина оксида несколько сотен ангстрем) вначале производится имплантация про­тонов с дозой облучения порядка (1  8)·1016 см-2 и энергией 100 – 150 кэВ. Пленка SiO2 представляет собой защитный слой при им­плантации, уменьшающий количество дефектов и примесей в при­граничной области. В дальнейшем она удаляется. Опорная пла­стина кремния подвергается термическому окислению до толщины оксида (0,2 – 0,4 мкм), необходимой для производства конечной структуры КНИ. После специальной очистки и активации методом молекулярного наслаивания поверхности пластин прижимаются друг к другу лицевыми сторонами. Термообработка этой пары при­водит к связыванию пластин кремния с одновременным отслаива­нием по слою, где находится в нанопорах имплантированный во­дород. В таком процессе тонкая пленка кремния переносится с ра­бочей пластины на окисленную поверхность опорной пластины. В дальнейшем структура КНИ подвергается кратковременному от­жигу при 1100 С, в результате чего удаляются созданные в про­цессе имплантации радиационные дефекты и водород. Полученный таким образом тонкий слой кремния может подвергаться дополни­тельной полировке.

Для производства высококачественных структур КНИ особую роль играют технологические процессы имплантации протонов, очистки, окисления и активирования (активации) поверхности.

Похожие схемы технологического процесса могут использо­ваться и для получения других (аналогичных) многослойных структур с различными вариантами отслаиваемого полупроводника (Si, Ge), изолирующего слоя (SiO2, Si3N4, многокомпонентное стекло) и опорной подложки (Si, SiC, стекловидная подложка, ке­рамика, AlN и т.д.).

^

4.2. Очистка и окисление пластин кремния



Для того, чтобы провести прямое связывание пластин большого диаметра и избежать большого количества пор, обе поверхности пластин не должны содержать загрязнений в виде частиц, пленок органических соединений, ионных загрязнений. Существующие методы обработки кремниевых пластин позволяют достигать дос­таточно высокого уровня очистки.

В производстве ИС процессы химической обработки занимают около трети всех технологических операций. Существует множе­ство методов химической обработки [25]. Процесс погружения по­лупроводниковых структур в растворы (технологические среды) является доминирующим на предприятиях, использующих жидко­стные методы очистки и травления. Комплект оборудования в дан­ном случае состоит из ванн различного назначения, скомпонован­ных в единую технологическую линию и применяемых в соответ­ствии с необходимыми требованиями к уровню производства ИС [26,27].

Завершающей стадией процесса жидкостной химической обра­ботки структур является сушка. Среди наиболее известных методов (сушка паром, сушка по методу движущейся зоны Марангони) сушка центрифугированием является самым распространенным [28]. Проведенные исследования показали, что сушка является кри­тической операцией процесса химической обработки кремниевых пластин. Очистка без обеспечения соответствующего уровня сушки приводит к повторному загрязнению поверхности.

В процессе проведения химических обработок применяют раз­личные способы контроля чистоты поверхности структуры. Разли­чают загрязнения механические и ионные, органические и неорга­нические. Например, в отечественном производстве ИС для экс­пресс-анализа качества отмывки при выходном контроле партий пластин с операции химической обработки обычно учитывают ме­ханические загрязнения. Методика контроля постоянно совершен­ствуется и изменяется соответственно требованиям к качеству отмывки.

В технологии производства полупроводниковых структур ис­пользуются разнообразные процессы жидкостной химической об­работки [28]. Авторами были проведены эксперименты по выявле­нию влияния химической обработки на состояние поверхности по­лупроводниковых структур. Контроль качества поверхности осу­ществляли с помощью зондовой микроскопии, применяя скани­рующий зондовый микроскоп (СЗМ) SOLVER производства фирмы NT-MDT. Образцами служили пластины КДБ–12 (100) диа­метром 150 мм. Для проверки полученных числовых значений ис­пользовался эталонный образец заданных размеров. Химическую обработку проводили методами погружения в растворы и воз­душно-капельного распыления растворов в кислотном процессоре "Mercury MP". Сравнение полученных результатов воздействия ре­активов и методов обработки пластин проводили на основе анализа изображения поверхности исследуемых образцов.

На поверхности исходной пластины максимальный размер неровностей ^ Rmax равен 1,0 нм, шероховатость Ra больше 0,1 нм. На структуре, прошедшей обработку в течение 10 с в буферном трави­теле (NH4HF2), Rmax = 0,66 нм, что соответствовало наименьшим значениям микронеровностей из всех образцов в проведенных экс­периментах.

Авторами были исследованы поверхности пластин кремния по­сле различных процессов химической обработки (рис.4.2). Обра­ботку погружением в растворы проводили в смеси серной кислоты и перекиси водорода (Каро), затем в смеси аммиака, воды и пере­киси водорода (ПАР). Аэрозольно-капельное распыление прово­дили в кислотном процессоре "Mercury MP" с последовательной обработкой в растворах серной кислоты и перекиси водорода, рас­творе плавиковой кислоты, смеси аммиака, воды и перекиси водо­рода, водном растворе соляной кислоты с перекисью водорода.

На пластине, обработанной в кислотном процессоре "Mercury MP" и термически окисленной до 0,6 мкм (во влажном О2 при тем­пературе 900 С) наблюдались значения Rmax = 3,24 нм и Ra = 0,2 нм, т.е. наибольшие значения.

Таким образом, проведенные исследования позволили проана­лизировать основные факторы, влияющие на чистоту полупровод­никовых структур в процессе производства ИС и КНИ структур.




а




б




в


Рис.4.2. Микрофотография поверхности кремниевых пластин, полученная на СЗМ после обработки: а – в буферном травителе; б – в ваннах Каро+ПАР; в – аэ­розольно-капельным распылением растворов

Было установлено, что одним из основных факторов, влияющих на показатель уровня дефектности пластин кремния, является обо­рудование. Технологический процесс сушки кремниевых пластин после химической обработки может быть причиной высокого уровня привносимых загрязнений. Исследование распределения за­грязнений при сушке структур различными методами позволило выявить, что использование центрифуг с фронтальной загрузкой пластин позволяет существенно снизить уровень привносимых за­грязнений [28]. Исследование влияния химической обработки пла­стин кремния на морфологию поверхности на сканирующем зондо­вом микроскопе позволило выявить происходящие изменения, оп­ределить шероховатость и величину микронеровностей поверхно­сти. Отметим, что вопросы очистки пластин кремния и германия требуют постоянного совершенствования и особенно актуальны в работах с размерами элементов в нанометровом диапазоне.

Поверхность пластин кремния могут содержать тонкий естест­венный слой оксида (толщиной ~ 1 – 2 нм). Для получения поверх­ности с толщинами оксида порядка 1 мкм необходим специальный процесс термического окисления, выполняемая в диффузионной печи при температурах около 1150С с помощью высокотемпера­турных реакций с сухим или влажным кислородом. Эти процессы окисления хорошо исследованы и широко используются в элек­тронной промышленности.

Формируемый таким образом изолирующий слой обычно бы­вает вполне достаточным для получения структур КНИ. Однако для некоторых специальных применений возможно использование более сложных комбинаций, например, SiO2/Si3N4, многокомпо­нентного стекла или слоев SiO2 толщиной более 2-5 мкм. Такие процессы требуют специализированного оборудования и не явля­ются типичными.

^

4.3. Теоретическое обоснование протонирования пластин кремния



В 1983 г. был предложен метод получения кремниевых подло­жек и формирования тонких монокристаллических пленок из кремния, названный впоследствии методом газового скалывания [2–4,40]. В его основу положено формирование заглубленного на­рушенного слоя, сформированного атомами легких элементов, пу­тем ионного легирования соответствующими ионами элементов (Н, Не и т.п.) [2 – 4]. Изменяя энергию ионов, можно легко варьиро­вать толщину скалываемой монокристаллической пленки.

Методика расчета глубины слоя, в котором формируются газо­вые поры, приведена, например, в [30], где проекция пробега про­тонов Rp дана в метрах, а его начальная энергия Е – в джоулях.

Когда начальная энергия движущихся протонов достаточно ве­лика, то имеем случай преобладания электронного торможения. При этом проекция пробегов протонов для мишени из кремния


(4.1)


Эта формула пригодна для оценок максимальной длины Rp бы­стрых бомбардирующих протонов в мишенях из кремния при от­сутствии каналирования. Например, при энергии падающих про­тонов 1,4·10-14 Дж Rp = 5(1,4·10-14)1/2 = 6·10–7 м = 0,6 мкм (1 эВ = 1,6·10-19 Дж). Радиационные нарушения в мишени кремния создаются главным образом тогда, когда торможение на ядрах пре­вышает электронное торможение. Поэтому при внедрении прото­нов малых энергий радиационные дефекты образуются вдоль всей траектории движения, а при высокой энергии протонов – только в конце их пробега. Отметим, что более точные расчеты величин Rp и профилей внедрения протонов и ионов гелия в кремний могут быть сделаны на основании теоретических расчетов в [31].

Важная особенность метода газового скалывания монокристал­лических пленок кремния и германия (по-видимому, всех кристал­лических хрупких материалов) состоит в том, что используются наиболее эффективные источники легких ионов. При этом исклю­чается:

- имплантация высоких доз тяжелых ионов, в частности, ионов кислорода и высокотемпературный послеимплантационный отжиг для синтеза заглубленного окисного слоя;

- сложные и трудоемкие технологические процедуры формиро­вания "стоп-слоя" и химического утончения;

- ограничения к типам полупроводников.

Ниже рассмотрены различные технологические стадии и иссле­дованы процессы производства структур КНИ и структур "кремний на германии" прямым сращиванием пластин во влажных условиях (включая химическую сборку поверхностей методом молекуляр­ного наслаивания).

^

4.4. Физико-химические основы технологии газового скалывания



Технология создания структур КНИ (и других многослойных структур) методом газового скалывания основана на контролируе­мом использовании следующих основных процессов: создания пу­тем ионной имплантации пластинчатых дефектов (ПД), содержа­щих водород; преобразования этих дефектов термообработкой; скалывания тонкого слоя материала по системе таких дефектов на всей площади пластины. Кратко опишем современные представле­ния об этих процессах [32,33].

В первом приближении, ПД можно рассматривать как микро­трещины, поверхность которых насыщена водородом. Процесс об­разования ПД представляет собой преципитацию водорода из пере­сыщенного раствора в кремнии, сопровождаемую дополнитель­ными химическими и физическими взаимодействиями. Согласно теоретическим представлениям, процесс преципитации состоит из стадий ядрообразования, роста и слипания (коагуляции). Рассмот­рим эти стадии.

^

4.4.1. Стадия ядрообразования



Установлено, что ПД наблюдаются при любом способе гидроге­низации (травлении, диффузии, плазменной обработке, ионной им­плантации) в кремнии обоих типов проводимости с различным со­держанием легирующих примесей [32]. При этом температура об­разца не должна превышать 200 ÷ 250 С. В качестве зародышей ПД предлагаются различные комплексы с участием водорода:

1)гидрогенизированный бор BHn=110, содержащий несколько атомов водорода. Такой центр вызывает значительные смещения окружающих атомов кремния. Тем самым ослабляются соответст­вующие Si–Si связи, что облегчает их замену более сильными SiH связями;

2) гексавакансия Vg, которая создается из дивакансий – типич­ного вакансионного дефекта с температурой отжига 200 С, явля­ется весьма устойчивой, электрически и оптически неактивной и обладает той же симметрией, что и ПД (плоская кольцевая конфи­гурация) [32,33];

3) гидрогенизированные вакансия VН4 и дивакансия V2Н6. Важ­ная роль вакансионных центров в образовании ПД установлена при экспериментальном исследовании соответствующих ИК полос по­глощения и сопоставлении полученных результатов с данными просвечивающей электронной микроскопии. Кроме того, теорети­ческие расчеты показали, что образование ПД путем присоедине­ния водорода к таким комплексам энергетически выгодно. В связи с изложенным было сделано предположение о том, что в качестве зародышей при гетерогенном образовании ПД могут выступать различные центры. В случае гидрогенизации путем ионной им­плантации – это предпочтительно вакансионные центры; в сильно­легированных материалах – атомы основной легирующей примеси. Отметим, что ими могут быть не только атомы бора, но и атомы фосфора. (Для фосфора также известны центры с несколькими атомами водорода типа РН1÷3). Более того, принципиально воз­можно гомогенное образование ПД, обусловленное флуктуациями концентрации водорода. Однако такой механизм требует значи­тельно большей степени пересыщения и потому малоэффективен.

^

4.4.2. Стадия роста



Стадия роста определяется следующими процессами: диффу­зией водорода; захватом водорода; перестройкой ПД, обусловлен­ной внутренним давлением. Водород в Si и Ge может находиться в решетке в различных междоузельных положениях (Г или Т) и иметь разные зарядовые состояния (+1, 0 или -1) в зависимости от положения соответствующих энергетических уровней относи­тельно уровня Ферми. Известно, что коэффициент диффузии водо­рода зависит от его зарядового состояния, причем . Отсюда следует, что скорость роста ПД может зависеть от типа легирующей примеси и уровня легирования [32,33].

^

4.4.3. Стадия слипания



Слипание происходит, когда концентрация ПД становится на­столько большой, что они начинают взаимодействовать друг с дру­гом. Согласно теоретическим представлениям, на этой стадии про­исходит рост дефектов большого размера за счет поглощения ими малых дефектов. При этом происходит увеличение характерных размеров ПД и сужение их распределения по размерам [33].

Были проведены облучения кремния дозами Н+ примерно на по­рядок большими, чем дозы, характерные для технологии газового скалывания [32,33]. После этого наблюдались пластинчатые де­фекты с размерами от 1,0 до 6,0 мкм. Распределение этих дефектов по размерам зависело от глубины и энергии ионов и было более уз­ким, чем для ПД на стадии роста.

^

4.4.4. Стадия отщепления



Отщепление имеет предположительно ту же природу, что и блистеринг. Это подтверждается следующими фактами. Для на­блюдения блистеринга и отщепления необходима некоторая кри­тическая доза имплантации. Время обоих процессов уменьшается с увеличением дозы и одинаковым активационным образом зависит от температуры. Энергии активации образования блистеров и пол­ного отщепления пластины одинаковы [32,33]. При блистеринге происходит вскрытие поверхности отдельных микропор, заполнен­ных газом (или отрыв локальных областей поверхности – неболь­ших чешуек). Отщепление же происходит по всей пластине. Чтобы происходило отщепление, необходимо объединение локальных микротрещин до того, как образуются блистеры. Это обеспечива­ется созданием "ребра жесткости". В технологиях газового скалы­вания ребро жесткости создаётся путем связывания с опорной пла­стиной. Обычно связывание производится через термический ок­сид, стекло возможна и другая комбинация материалов. Чтобы по­лучить качественное ребро жесткости, необходимо обеспечить вдоль всей связываемой поверхности отсутствие пустот, посторон­них частиц и других загрязнений. Их наличие приводит к "непол­ному" прилеганию поверхностей, т.е. отсутствию связывания на нужных участках. Последнее ведет к неполному отщеплению, что сказывается на качестве изготавливаемых структур КНИ.

^

4.5. Проектирование оборудования для имплантации ионов легких газов в подложки полупроводников большого диаметра



Производство структур КНИ (для специализированных ИС и микросенсоров), а также многослойных структур для элементов микроэлектромеханических систем является стратегической зада­чей для многих высокотехнологичных и наукоемких отраслей. Ключевой проблемой формирования структур КНИ методом газо­вого скалывания на отечественных предприятиях является разра­ботка и изготовление специализированного оборудования, отве­чающего ужесточающимся требованиям микроэлектронного про­изводства. Поэтому создание технологического высокопроизводи­тельного, надежного оборудования для имплантации ионов водо­рода в подложки большого диаметра является актуальной задачей. В настоящее время существует несколько направлений научных разработок на основе которых возможно создание специализиро­ванного оборудования для получения структур методом газового скалывания. Наиболее перспективные методы используют имплан­тацию ионов водорода (или ионов легких газов) с использованием имплантеров, а также внедрение ионов с использованием эффек­тивной системы Plasma Immersion Ion Implantation (PIII), позво­ляющей получать структуры КНИ низкой стоимости и с высокой производительностью.

На основе научных работ радиационно-ускорительного центра РУЦ МИФИ [42–52] и ИТЭФ проводятся работы по проектирова­нию и созданию макетного источника ионов водорода с энергиями 30 – 150 кэВ для имплантации протонов в подложки полупровод­ников большого диаметра (150 – 200 мм) с целью получения струк­тур КНИ большого диаметра. К источнику протонов предъявля­ются следующие основные требования:

- повышенное, близкое к 100%, содержание в пучке атомарных ионов водорода;

- стабильность энергии протонов не ниже ±2 % при среднем токе пучка до 1 мА;

- большой срок службы, высокая надежность и стабильность ра­боты, обеспечивающие конкурентоспособность имплантера по сравнению с известными аналогами;

- нечувствительность к продуктам крекинга масла;

- возможность формирования равномерного (не хуже ±5%) поля облучения на мишени диаметром до 100 – 150 мм.

Для выбора прототипа источника водородных ионов имплантера проведены работы по адаптации имеющихся у исполнителя инжек­торов ионов к поставленным задачам, включающим проектирова­ние, изготовление и макетные испытания следующих типов источ­ников: дуоплазмотрона, источника Пеннинга с холодным катодом, электронно-ионного источника плазменно-пучкового типа, ВЧ ин­жектора (рабочей частотой 36 МГц), СВЧ инжектора (рабочей час­тотой 2450 МГц).

На основе анализа полученных результатов определен прототип источника и выполнены необходимые конструктивные доработки, а также рассмотрен вопрос об использовании "электронного душа" для нейтрализации объемного заряда облучаемых пластин.

Для получения тонких слоев кремния заданной толщины необ­ходимо отработать методику (технологию) режимов имплантации ионов водорода (гелия) и последующей термообработки, контроля состояния облучаемых пластин. В распоряжении авторов имеется ускорительная техника, квалифицированный персонал, методики исследования дефектной структуры твердых тел методами атомно-силовой микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии, атомно-ионной микроскопии и позитронной и мюониевой спектро­скопии.

Исходя из необходимости получения радиационно-стойких ИС, целесообразно получать структуры КНИ с толщиной изолирован­ного монокристаллического слоя кремния в диапазоне от 0,1 до 1 мкм, изолирующего оксида от – 0,1 до 10 мкм. Состав изолятора – аморфный SiO2; многокомпонентное стекло (например бариево-алюмо-силикатной системы BaO–Al2O3–SiO2); SiO2 – Si3N4, алюмо­нитридная керамика и т.д. Для аналоговых ИС толщина изолиро­ванного монокристаллического кремния должна составлять вели­чину от 1 до 30 мкм, толщина слоя изолированного монокристал­лического кремния от 1 до более 100 мкм необходима для элемен­тов микромеханических датчиков, таких как акселерометры и мик­ромеханические гироскопы. При этом технологические процессы получения исходных структур (КНИ) могут быть принципиально похожими.

^

4.6. Особенности процесса сращивания пластин кремния с использованием данных о выделении паров воды



Существует множество методов связывания монокристалличе­ских подложек. Это, в первую очередь, термокомпрессионный ме­тод связывания, осуществляемый при высоких температурах с при­ложением внешнего давления к соприкасающимся очищенным по­верхностям подложек. При создании специальных приборов и уст­ройств используются методы связывания через слои диоксида кремния, различных оксидов металлов, стеклообразных промежу­точных слоев и т.д. Особый интерес представляет метод сращива­ния стандартных пластин кремния с нанесенными слоями диоксида кремния посредством химических реакций между гидроксилиро­ванными и гидратированными поверхностями пластин [1–4]. Далее рассмотрены особенности метода сращивания стандартных пла­стин кремния во влажных условиях по данным о выделении паров воды [9–15].

Имеются значительные трудности получения структур КНИ по­средством технологического роста слоев кремния, например, на сапфире и диоксиде кремния, связанные с несоответствием посто­янных решеток применяемых материалов, в результате чего полу­чаются некачественные слои кремния. Выше отмечалось, что в по­следние годы появилась новая технология получения качественных слоев изолированного кремния, заключающаяся в сращивании двух стандартных пластин и последующем утончении одной из них до требуемой толщины слоя монокристаллического кремния. Процесс сращивания отличается сложностью и заключается во взаимодей­ствии двух гидратированных и гидроксилированных поверхностей SiO2 [20,21]. Физико-химическая модель сращивания, предложен­ная в работе [21], включает три последовательные стадии (рис.4.3).






Рис.4.3. Физико-химическая модель сращивания стандартных пластин кремния


На первой стадии при соприкосновении двух гидратированных поверхностей образуются водородные связи между кислородом и водородными атомами адсорбированных молекул воды (четыре молекулы воды могут образовать водные кластеры (циклические тетрамеры)). Максимальная энергия связи, свойственная цикличе­ским тетрамерам, составляет величину примерно 10 ккал/моль в расчете на одну молекулу воды, что соответствует 0,43 эВ. Это в 3 раза больше, чем прочность связи для "гидроксиловой" воды в ди­мере, которая равна примерно 3 ккал/моль. Вследствие этого энер­гетически выгодно отделение водных кластеров от SiOH-групп с образованием новых SiOH – OHSi связей. При температурах выше 700 C кластеры воды распадаются. При этом единичные сила­нольные связи могут образовывать SiOSi связи с выделением моле­кул воды.

В работах [20,21] отмечается, что при комнатной температуре энергия связи двух осушенных гидратированных поверхностей пластин, обусловленная ОН связями молекул Н2О, составляет ве­личину примерно 85 эрг/см2. При температуре выше 300 С возни­кают Н-связи за счет ОН-групп поверхности SiO2, а (Н2О)4 распа­дается и молекулы Н2О диффундируют от места сращивания. Предполагается, что имеются две Н-связи на одно место сращива­ния; при этом получается структура, не имеющая места в воде, но возможная для поверхностных ОН-групп. Если взять как наиболее вероятную энергию связи в водном димере, то получим для проч­ности связи величину 2х6,1 ккал/моль, соответствующую поверх­ностной энергии сращивания 634 эрг/см2 в случае, если все сила­нольные группы связаны друг с другом. В области очень высоких температур (вплоть до 800 С) идет дальнейшее удаление воды и образование связей SiOSi. Технология сращивания включает ста­дию осушки пластин при 50 С перед непосредственным сращива­нием. Это очень важная стадия, так как она позволяет избежать обильного образования пузырьков воды на поверхности сращива­ния. Отметим, что образующиеся пузырьки исчезают сами по себе за несколько недель при комнатной температуре или за более ко­роткое время при высоких температурах.

В рамках модели работы [21] проведенные эксперименты по предварительной осушке говорят о том, что нагревание пластин перед непосредственным сращиванием состоит в десорбции Н2О с гидратированной (гидроксилированной) поверхности с освобожде­нием пространства для развития SiOSi связей при последующих стадиях отжига. Это может оказывать существенное влияние на прочность связывания пластин кремния.

Резюмируя, еще раз подчеркнем, что модель, предложенная в работах [20,21], состоит из трехстадийного процесса сращивания с участием молекул воды. На стадии I две подложки соединяются через кластеры воды и поверхностная энергия связи составляет ве­личину примерно 100 эрг/см2. На стадии II уже Н-связи силаноль­ных групп связывают пластины, а на поверхности раздела присут­ствуют водные кластеры со средней плотностью (Н2О)4/13,35·Å2. Максимальная энергия связи на стадии II равна 634 эрг/см2. На ста­дии III энергия связи достигает величины 2·980 эрг/см2, где 980 эрг/см2 – поверхностная энергия связи кварца.

В работах [20,21] были проведены детальные эксперименталь­ные исследования поверхностной энергии связи в зависимости от времени отжига и температуры. Ниже, следуя модели [20,21], по­священной кинетическому анализу поверхностной энергии связи, развита модель сращивания, основанная на выделении паров воды. Выпишем основные реакции этой модели.


SiOH:(OH2)2:(OH2)2:OHSi ^ SiOH:SiOH + (H2O)4 (4.2)


Левая и правая часть уравнения (4.2), соответствуют реакциям между стадиями сращивания I и II. Естественно, что


2О)4  (Н2О)3 + Н2О  (Н2О)2 + Н2О  2 Н2О . (4.3)


Кроме того,


SiOH:SiOH ^ SiOSI + H2O ; (4.4)


SiOH:SiOH SiOSi + H2O . (4.5)


Это протекающие реакции между стадиями сращивания II и III, соответствующие процессу прямого связывания двух окисленных пластин кремния с гидроксильными группами на их поверхности (подложки А и В) (рис.4.4).

При нагревании двух таких соединенных пластин взаимодейст­вие двух противоположных ОН-групп приводит к образованию мо­лекул воды и силоксановых связей ≡Si–O–Si≡.










Рис.4.4. Схема процесса сращивания подложек A и B с гидроксильными группами на поверхности (а) и последующим образованием связи ≡Si–O–Si≡ (б)


В работе [5] показано, что сухая и влажно-окисленная пластины, соединенные в сухих условиях имеют несовершенную связь. С другой стороны, сухая и влажно-окисленная пластины, соединен­ные во влажных условиях связывание лучше. Таким образом, целе­сообразно проводить процесс сращивания подложек в условиях влажной атмосферы.

Энергия активации реакции (4.2) должна быть близкой к вели­чине энергии водородной связи, равной примерно 50 мэВ. Энергия активации реакции (4.5) должна лежать в пределах от 1,8 до 2,1 эВ, так как эта реакция подобна поверхностной реакции окисления кремния.


Естественно, что


d[SiOSi]/dt=d[H2O]/dt= k2(no-[SiOSi]) = k2(no - [H2O]) (4.6)


Здесь k1 и k2 – константы скоростей реакции, no – число мест сра­щивания. Кроме того, согласно (4.4)


d[H2O]/dt = k1 [SiOH:SiOH] = k2 [H2O] (4.7)


Решения уравнений (4.6) и (4.7), согласно [21], позволяют описать кинетику прочности связывания и кинетику газовыделения


W = (2х980 - WB) [1 - exp(-k2t)] + WB, (4.8)


где 2·980 эрг/см2 – энергия связи пластин кремния за счет SiOSi связей, а


WB = 630 exp(-0,05 / kB·Т) [эрг/см2]. (4.9)


Здесь kB – постоянная Больцмана, Т – температура.

Нам удалось показать, что кинетика выделения паров воды во многом может описываться подобно уравнению (4.8) [24 - 26].


[H2O](t) {[no-no exp(-0,05/kB·T)] [1-exp(-k2t)]} + no exp(-0,05/kB·T) (4.10)


Из выражений (4.8) и (4.10) следует, что зависимости W и [H2O](t) симбатны. Этот теоретический вывод подтверждается ка­чественным уровнем проведенных исследований сращивания стан­дартных пластин кремния различных марок. Следует, однако, от­метить, что при выводе выражения (4.10) мы пренебрегли возмож­ными процессами диссоциации воды на поверхности сращивания, поскольку этот вопрос нуждается в дальнейших эксперименталь­ных и теоретических исследованиях. Подчеркнем, что полученное выражение (4.10) может быть использовано в качестве алгоритма моделирования и оптимизации процесса сращивания пластин кремния [15–19].

^

4.7. Предполагаемые пути решения вопросов сращивания поверхностей кремниевых пластин во влажных условиях



Суть процесса химической сборки поверхности методом моле­кулярного наслаивания [12–18], возможно пригодного для преци­зионного "синтеза поверхности" пластин с известным составом, и ее модифицирования состоит в последовательном наращивании монослоев структурных единиц заданного химического состава.

Технология прямого соединения пластин заключается в сращи­вании окисленных поверхностей пластин с заданными толщинами SiO2 на каждой (или одной) из них. Первоначальной задачей явля­ется насыщение сращиваемых поверхностей ОН-группами на ато­мах кремния. Каждый поверхностный атом кремния может присое­динять одну или две ОН-группы. Этот "монослой" ОН-групп может быть сформирован в специальном реакторе при обработке поверх­ности пластин парами воды в инертном газе-носителе (воздух, азот, аргон, гелий и т.д.) при температуре Т  200 С [9–15]. Такого типа термообработка приводит к удалению сорбированной воды (около 200 С) и образованию гидроксилированной поверхности с функ­циональными группами вида (Si–OH) и (Ge–OH). Эти функцио­нальные группы могут активно взаимодействовать, например, с молекулами SiCl4 с образованием кремнийоксохлоридных групп по реакции


2(Si – OH) + SiCl4  (Si – O –)2SiCl2 + 2HCl (4.11)


Чтобы обеспечить 100%-ное замещение ОН-групп по реакции (4.11), ее нужно проводить в условиях максимального удаления от равновесия. Как указывается в [3,4,9–15,18], экспериментально это достигается проведением процесса в избытке SiCl4 и удалением из зоны реакции газообразного продукта взаимодействия (HСl), спо­собного разрушать связи Si–O–Si.

Следующая операция состоит в продувке сухим азотом пластин для удаления избытка SiCl4, HСl.

Отметим, что число связей с поверхностью и концентрация при­витых по реакции (4.11) функциональных групп (Si–O–)2SiCl2 за­висят от количества и расположения ОН-групп на исходной по­верхности и уменьшаются с увеличением температуры.

Используем на стадии замещения хлор-ионов пары воды (до­нора кислорода) и активного хлорзамещающего реагента. Обра­ботка поверхности парами воды при Т  200 С сопровождается ре­акциями типа


(Si – O –)2SiCl2 + 2H2O  (Si – O –)2Si(OH)2 + 2HCl (4.12)


Процесс проводят до полного замещения Cl на ОН с после­дующим удалением избытка физически адсорбированной воды и HСl, т.е. получают гидроксилированную поверхность, но ОН-группы уже связаны не с атомами исходной поверхности, а с ато­мами в составе привитых функциональных групп. Гидроксилиро­ванную поверхность вновь обрабатывают парами SiCl4, и образу­ется второй кремнийоксохлоридный монослой по схеме


(4.13)


Затем продукт реакции (4.13) может быть подвергнут обработке парами воды и т.д.

Таким образом, многократно и попеременно обрабатывая по­верхность кремниевой пластины SiCl4 и парами воды с соблюде­нием принципов молекулярного наслаивания, можно сформировать на поверхности слой SiO2, толщина которого определяется числом циклов молекулярного наслаивания (один цикл в нашем случае включает реакции (4.11) и (4.12)) [3,4,9–15,18].

Из вышесказанного следует, что поверхность кремния в общем случае может содержать: либо функциональные группы (Si–OH), либо функциональные группы (Si O 2SiCl2), либо функциональ­ные группы (Si–O )2Si(ОН)2. Следовательно, в процессах термо­обработки прямого сращивания пластин можно выделить шесть вариантов поверхностных химических процессов с участием этих групп.


(Si-OH) + (HO-Si)  (Si-O-Si) + H2O (4.14)


(Si-O-)2SiCl2 + (Si-O-)2SiCl2  (Si-O-)2 --(Si-O-)2 + SiCl4 (4.15)



(Si-O-)2Si(OH)2 + (Si-O-)2Si(OH)2  (Si-O-)2--O--(Si-O-)2 +2H2O (4.16)


2(Si-OH) + (Si-O-)2Si(OH)2  (Si-O-)2--(Si-O-)2 +2H2O (4.17)


2(Si-OH) + (Si-O-)2SiCl2  2(Si-O-)2--(Si-O-)2 + 2HCl (4.18)


(Si-O-)2Si(OH)2 + (Si-O-)2SiCl2  (Si-O-)2--O--(Si-O-)2 +2HCl (4.19)


Реакции типа (4.18) – (4.19) протекают в условиях нормального давления на поверхность при температурах Т  200 С. При этом можно предположить, что параметры трехмерной решетки SiO2 вблизи поверхности сращивания могут существенно зависеть от строения функциональных групп на исходных поверхностях со­единяемых пластин и режимов термообработки. Дальнейшая термо­обработка под давлением на пластины при температурах Т  700 С, по-видимому, приводит к возникновению одинаковой аморфной модификации SiO2 во всех указанных случаях. Наличие HCl и SiCl4 (или Cl2) вблизи границы сращивания скорее всего не способствует получению качественных структур "кремний на диэлектрике". Из вариантов (4.14) – (4.19) сращивания можно выделить случаи (4.14), (4.16), (4.17), где летучими продуктами реакций являются пары.

На основании результатов исследований и теоретических дан­ных приведем обобщенную феноменологическую теорию сращи­вания, основанную на предположении о возможности различной плотности ОН групп на поверхности сращиваемых пластин во влажных условиях [12–19].

Модель, развитая в [19], различает отдельные стадии процесса сращивания в зависимости от температуры отжига. Первая стадия описывает поведение процесса сращивания при температурах ниже 110 С. На этой стадии пластины связываются через кластеры воды. На второй стадии, от темпера­туры примерно 110 С до тем­пературы 150 С и выше, согласно [12 - 18], силанольные группы реагируют на поверхности раздела по формальной брутто-реакции


(4-n)Si(1)–(OH)n+(HO)m–Si(2)(4-m)–  Si(1)–O–Si(2)+q H2O+p Os (4.20a)


(4-n)Si(1)–(OH)n+(HO)m–Ge(2)(4-m)–  Si(1)–O–Ge(2)+q H2O+p Os (4.20б)


Здесь n и m – средние числа ОН-групп, приходящие на один по­верхностный атом кремния или германия (0  n  2; 0  m  2); Si(1) и Si(2) или Ge(2) относятся к атомам кремния или германия на по­верхности первой или второй пластины соответственно; индексы (4-n), а также (4-m) – указывают на количество связей атома на по­верхности с атомами в глубине подложки; индекс s означает вхож­дение атомов кислорода в каркас SiO2 или GeO2 в местах сращива­ния. Отметим, что образующиеся молекулы воды диффундируют через каркас SiO2 или GeO2 вдоль поверхности раздела наружу от пластин и через слой SiO2 или GeO2 перпендикулярно поверхности пластин, приводя к окислению кремния или германия на границе разделов Si – SiO2 или Ge – GeO2. От 150 до 800 С прочность свя­зывания постоянна, если время отжига достаточно велико и огра­ничено размером контактирующего пространства. Выше 800 С связывание пластин полностью осуществляется через слой оксида. Эффективная константа скорости реакции (4.20) имеет вид:


, (4.21)


т.е. она пропорциональна концентрации паров воды в атмосфере. Здесь k является константой скорости реакции (4.20). В противопо­ложность этому при низких давлениях скорость процесса ограни­чивается диффузией молекул воды от мест сращивания. Константа скорости k на основании экспериментов по определению энергии связи методом вклинивания лезвия [19,22,23] оказалась заключен­ной в пределах от 5,9 до 6,110-2 с-1 при атмосферном давлении Р0 и равной 4,610 2 с-1 при Р = 10 Па и 3,010-2 с-1 при Р = 0,2 Па [19], что соответствует определенной зависимости k от влажности ок­ружающей среды.

Отметим возможные практически важные случаи реакции (4.20), реализуемые при прямом сращивании пластин кремния с ис­пользованием химической сборки поверхности методом молеку­лярного наслаивания [8 – 14].

Для n = 1, m = 1 имеем q = 1, p = 0,


≡ Si(1) – OH + HO – Si(2) ≡  ≡ Si(1) – O – Si(2) ≡ + H2O (4.22)


. (4.23)


Для случая n = 1, m = 2 или n = 2, m = 1 имеем q = 3/2, p = 1/2,


≡Si(1)–(OH)+(HO)2^ =Si(2)=  ≡Si(1)–O–Si(2)≡+(3/2)H2O+(1/2)Os 4.24)


, (4.25)


Для n = 2, m = 2 имеем q = 2, p = 1,


=Si(1)=(OH)2+(HO)2^ =Si(2)= ≡ Si(1)–O–Si(2)≡+2H2O+Os (4.26)


. (4.27)


Если предположить, что значения k1, k2 и k3 близки между собой (что вполне возможно), тогда k1 < k2 < k3, и, таким образом, опти­мальным режимом по скорости связывания пластин является ре­жим 3 (реакция (4.26)). Однако в этом режиме должно наблюдаться более обильное выделение паров воды по сравнению с режимами 1 и 2 (реакции (4.22) и (4.24), что может приводить к образованию на поверхности сращивания больших количеств газонаполненных пор и полостей [8]. Выражения, подобные (4.22) – (4.27), могут быть записаны и для случая сращивания кремния и германия.

В отсутствие чередования послойных процессов молекулярного наслаивания в условиях влажной термообработки процесс сращивания вероятнее всего ближе реакционной схеме (4.22) (по существу, это первый этап процесса молекулярного наслаивания – формирование слоя ОН-групп и адсорбция молекул воды на поверхности [6,19,21,22]). В этом режиме получаются достаточно качественные структуры "кремний на изоляторе", о чем говорят экспериментальные данные по электронно-микроскопическим исследованиям рельефа границы сращивания. Режимы, соответствующие реакционным схемам (4.24), (4.26), нуждаются в дальнейших экспериментальных иссле­дованиях. Отметим также, что предлагаемый способ получения по­верхности с заданным химическим составом, ее активирования и модифицирования в условиях влажной атмосферы (включая хими­ческую сборку методом молекулярного наслаивания) может спо­собствовать сглаживанию неоднородного рельефа поверхности сращиваемых пластин, что приводит к исчезновению пор, полостей и пустот вблизи границы сращивания. Все это позволяет приме­нить методики низко-температурного и высокотемпературного свя­зывания и технологию Гезеля–Тонга [15,18,19] для получения вы­сококачественных структур "кремний на изоляторе", структур "германий на кремнии и изоляторе", "Si/Ge на кремнии и изоля­торе" и других многослойных структур.

^

4.8. Модель Гезеля – Тонга связывания

гидрофильных пластин



Несмотря на то, что различие связываемых материалов по со­ставу, кристаллической структуре, кристаллической ориентации, толщине пластин, типу и профилю легирования не является пре­пятствием для связывания пластин, возникающие термические на­пряжения накладывают некоторые ограничения на температуру отжига. Основными требованиями для хорошего связывания явля­ются: а) способность связываемых материалов образовывать кова­лентные химические связи между поверхностями пластин; б) избе­гание высоких деформаций и механических напряжений на по­верхности; в) отсутствие пузырьков на границе связывания. Обычно эти требования снижаются при использовании высоких температур отжига (для кремния tотж > 1100 С). Для материалов, коэффициенты термического линейного расширения которых раз­личаются не более, чем на 10 % высокотемпературная обработка существенно упрочняет границу сращивания [15]. Существенный интерес представляют низкотемпературные способы сращивания. Подобные методы необходимы для сращивания материалов с сильно отличающимися коэффициентами термического линейного расширения (материалами деформируемыми при нагреве), для со­хранения определенного профиля диффузионных областей и т.д. При низких температурах необходимо обеспечить межмолекуляр­ные взаимодействия поверхностных атомов различных поверхно­стей.

Низкотемпературное сращивание может быть реализовано с ис­пользованием различных технологических процессов: методом не­посредственного сращивания материалов через слои диэлектриче­ских материалов (например, SiO2) или поверхностей покрытых SiO2; через слои легкоплавких стекловидных материалов (стекло­видных систем (PbO–B2O3–…, SiO2–Na2O–…, SiO2–K2^ O-…, PbOB2O3–ZnO–…, P2O5–B2O3–SiO2–…, B2O3–SiO2–… и т.д.)); че­рез слои стекловидных материалов методом термо-электростиму­лиро­ванного сращивания; через слои образующие эвтектические со­ставы, силициды, легкоплавкие припои и т.п.

Сильная связь между полированными подложками без исполь­зования промежуточных слоев может реализоваться при низких температурах, если связываемые поверхности предварительно очищены, например, в условиях ультравысокого вакуума, практи­чески для всех материалов. Так, наблюдалось хорошее связывание пластин кремния в условиях ультравысокого вакуума. Однако даже для контактирующих пластин в условиях чистых комнат первого класса около 70 % пластин уже содержат одну или более пор, при­чиной которых явились частицы пыли < 1 мкм в диаметре [5].

Микронеровности (шероховатость) или наличие механических частиц может создавать большие трудности при сращивании. Час­тица диаметром 2h может создать несвязываемое пространство (или пузырь) с диаметром 2R при R > 2tw:


, (4.28)


где E = E/(1–γ2) (γ, E – соответственно, соотношение Пуассона и модуль Юнга для кремния); tw – толщина пластины.

Частица диаметром около 1 мкм приводит к несвязываемому пространству диаметром около 0,5 см для стандартной 4-дюймовой пластины кремния толщиной 525 мкм [19].






Рис.4.5. Схема процесса очистки и сращивания пластин в специализированной установке: 1,2 – исходные пластины; 3 – распорная прокладка между пластинами; 4 – поток деионизованной воды; 5 – инфракрасный источник; 6 – прозрачное покрытие; 7 – механизм удаления распорной прокладки


Для того, чтобы избежать наличия частиц между пластинами и удовлетворить строгим требованиям по чистоте поверхности крем­ниевых пластин, была предложена простая установка для достиже­ния сращивания подложек без наличия пор (рис.4.5).

Пластины в установке расположены горизонтально полирован­ными сторонами друг к другу. Между пластинами находится теф­лоновая прокладка, разделяющая их. Пластины омывают потоком деионизованной воды и сушат с помощью центрифугирования. По­сле этого две поверхности приводят в контакт удалением тефлоно­вой прокладки. Содержание пор в пластинах, связанных таким об­разом, зависит от скорости потока воды в щели между пластинами и от угловой скорости осушителя. При достаточно высоких скоро­стях воды и значениях угловой скорости осушителя можно до­биться степени связывания без наличия пор, присущей сращива­нию в атмосфере чистых комнат.

Должны отметить, что при высокотемпературном связывании некоторые поры сжимаются благодаря образованию вакуума ме­жду пластинками. Это приводит к более тесному контакту двух по­верхностей, что уменьшает пространство несвязывания. Образова­ние вакуума вызывает окисление кремния в полости, приводя к ки­слородному истощению. Такая ситуация, конечно, невозможна в случае наличия на поверхности механических частиц или высокой шероховатости. Влияние микрошероховатости на процесс прямого сращивания пластин кремния описано в [5,21].

Механизм прямого сращивания пластин основывается на меж­молекулярных и межатомных силах взаимодействия (например, силы Ван-дер-Ваальса). Следовательно, чистота поверхности пла­стин является одним из основных параметров данного процесса. Сращивание шероховатых поверхностей приводит к тому, что ре­альная область контакта имеет небольшую площадь; на границе раздела образуется много пустот. Если шероховатость поверхности превысит критическое значение, то соединения пластин не про­изойдет. Для решения данной проблемы была предложена теория для случая закрытия щелей между контактирующими пластинами [20,21].

Был представлен анализ трехмерного упругого поля при несо­вмещении контактирующих пластин [20,21]. Рассмотренная конти­нуальная модель влияния поверхностной шероховатости на связы­вание пластин основывается на механической теории контактиро­вания и статистической модели поверхностной шероховатости [19]. Понятно, что для облегчения процесса сращивания необходимы большое поверхностное натяжение и хорошая пластичность (де­формируемость) материала. Очевидно, что все проблемы сращива­ния пластин с высокой шероховатостью можно решить с использо­ванием пленок многокомпонентных стекловидных материалов.

^

4.9. Технология Гезеля – Тонга связывания гидрофильных пластин с использованием химической сборки поверхности



Низкотемпературное связывание. Низкотемпературное свя­зывание может быть использовано для получения качественных ультратонких слоев кремния на изоляторе и монокристаллического кремния на кварце или стекле [20,21]. В качестве примера ниже рассматриваются ультратонкие слои монокристаллического крем­ния на кварце.

Для того, чтобы обеспечить прочность связывания при отжиге 150 oС, выбранные для связывания пары, полученные методом мо­лекулярного наслаивания, были предварительно отожжены при 120 С в течение 45 ч, при скорости увеличения температуры 1oС/мин, начиная от комнатной. Низкая скорость увеличения тем­пературы необходима для высокой прочности связывания и позво­ляет избежать несвязывания даже при 120 С. В конце отжига при 120 С температуру увеличивали до 150 С и она оставалась тако­вой в течение 45 ч. Не наблюдалось также явление несвязывания в процессе отжига при 150 С. В конце связывания при 150 С тем­пературу уменьшали до 100 С и при этой температуре выдержи­вали образцы в течение 40 ч для того, чтобы упрочнить связь, т.к. оставались напряжения в процессе отжига при 150 С. В работах [20,21] представлена схема технологического маршрута связывания пары Si/кварц.

Низкотемпературный процесс может быть также применен для связывания кремниевых пластин с различными материалами (плен­ками), такими как SiC, Si3N4, силикатные стекла и т.д., на которых имеются слои SiO2. В случае использования SiC или Si3N4 на по­верхность требуется осадить слои SiO2.

В общем оказывается, что некоторые материалы могут связаться через водородные связи при комнатной температуре с тем же са­мым или другим материалом или с поверхностью, содержащей достаточное количество разорванных связей. Связываемые поверх­ности, покрытые SiO2 или Si3N4, могут образовывать водородные связи посредством обработки: а) химическими реакциями с образо­ванием ≡Si–OH или ≡Si–NH групп; б) созданием определенных де­фектов посредством плазменной (механической) обработки, приво­дящих к увеличению реакционной способности.

В работах [20,21] приведена экспериментально наблюдаемая за­висимость эффективной поверхностной энергии гидрофильной пары Si/сапфир от времени при температуре 150 С. Можно с уве­ренностью сказать, что за упрочнение связи ответственен эффект полимеризации типа


=Al–OH + HO–Si≡ =Al–O–Si≡ + HOH (4.29)


В заключение отметим, что предлагаемый способ получения по­верхности с заданным химическим составом, ее активирования и модифицирования с использованием химической сборки методами молекулярного наслаивания и низкотемпературного связывания Тонга – Гезеля может способствовать сглаживанию неоднородного рельефа поверхности сращиваемых пластин, что приводит к исчезновению пор, полостей и пустот вблизи границы сращивания.

^ Связывание в условиях высокого вакуума. По сравнению со связыванием пластин на воздухе связывание гидрофильных одина­ковых пластин в условиях высокого вакуума (~700 Па или не­сколько мм рт. ст.) приводит к более сильной связи на границе раз­дела связывания после отжига при температурах не ниже 150 С [20,21]. Энергия связи подложек приближается к энергии связи термического слоя кремния. Этот факт означает, что микрощели на границе связывания, вызываемые поверхностными шероховато­стями (неровностями) связываемых пластин, почти полностью за­крыты, по-видимому, оксидом, образующимся во время низкотем­пературного отжига. Высокий вакуум приводит к низкому содер­жанию азота на границе сращивания. Захваченный азот, как из­вестно, препятствует контакту связываемых поверхностей во время отжига, а следовательно образованию ковалентных силоксановых связей. Далее, для того чтобы достичь сильной связи, вода, выде­ляющаяся по реакции (4.29), должна быть удалена. Это подтвер­ждается наблюдением инфракрасных спектров на границе связыва­ния и экспериментальными наблюдениями.

^ Применение высокотемпературного сращивания. Процесс сращивания заключается в процессе взаимодействия двух гидрати­рованных и гидроксилированных поверхностей SiO2 при темпера­турах обработки до 8000С, подробно рассмотренном в 4.6.

Очевидно, что для достижения связывания без наличия пор не­обходимы чрезвычайная чистота поверхностей перед сращиванием. При отсутствии и частиц на поверхности сращивания могут полу­чаться достаточно качественные КНИ структуры, что подтвержда­ется данными электронно-микроскопических исследований их по­перечного сечения (рис.4.6).





Рис.4.6. Микрофотография разреза кремниевой структуры, полученной мето­дом сращивания (по данным РЭМ): 1 – опорная подложка кремния; 2 – граница сращивания; 3 – приборная подложка кремния, подвергаемая процессу утончения


Теоретические расчеты показывают [20,21], что частица диа­метром около 1 мкм приводит к несвязываемому пространству диаметром около 0,5 см для стандартной пластины кремния диа­метром 100 мм и толщиной 525 мкм.

^

4.10. Получение структур КНИ с использованием методов термического сращивания подложек



В идеальном случае прочность соединения состыкованных пла­стин должна быть равна 2,5·109 Н/м2 – начало пластической де­формации кремния. Наибольшая прочность прихвата при стыковке кремниевых пластин, достигнутая на практике, меньше ~107 Н/м2. Это уменьшение объясняется несколькими причинами:

1) зазор между стыкуемыми поверхностями практически всегда превышает межатомное расстояние в монокристаллической ре­шетке кремния (0,14 нм), во-первых из-за шероховатости этих по­верхностей, оставшейся после их механической полировки, во-вто­рых из-за наличия "подушки" из сорбированных молекул газов, воды и других веществ или присутствия распорных механических частиц. Поверхности стандартных пластин кремния массового производства обычно имеют шероховатость существенно большую шероховатости идеальной плоскости, в том числе и по причине возможной разориентации поверхности полирования и кристалло­графической плоскости;

2) для существующей технологии жидкостной химической очи­стки поверхности пластин характерен двухмолекулярный слой сорбированной воды, который увеличивает расстояние между ато­мами кремния (до 0,7 нм) и экранирует взаимодействие между ними. Вместо ковалентного взаимодействия между поверхностями (атомами кремния) в этом случае реализуется взаимодействие Ван-дер-Ваальса, для которого характерна прочность связывания на уровне ~107 Н/м2. В процессе термообработок молекулы воды из стыка удаляются, зазор между пластинами уменьшается при усло­вии отсутствия загрязнений;

3) зазор между состыкованными пластинами увеличивается (до 1 мкм и более) при попадании в него механических частиц. Эти за­грязнения являются препятствиями при стыковке и сращивании подложек, образуя дефекты в виде проколов, трещин, пор в при­борном и диэлектрическом изолирующих слоях.

Самыми опасными дефектами являются поры. Образование пор в процессе сращивания пластин кремния приводит к выходу из строя создаваемых ИС на структурах КНИ. При отслаивании части приборного слоя в нем в местах присутствия пор между сращивае­мыми пластинами происходит образование сквозных отверстий. На рис.4.7 представлена фотография дефектной части приборного слоя структуры КНИ. На рис.4.8 изображен полученный на растровом электронном микроскопе (РЭМ) профиль кремниевой структуры, подверженной ионной имплантации и термообработке при 5000С. На рис. 4.9 представлена профилограмма дефектной части струк­туры КНИ.






Рис.4.7. Образование сквозных отверстий в приборном слое в местах присут­ствия пор между сращиваемыми пластинами






Рис.4.8. Микрофотография структуры после имплантации ионов Н+ и термооб­работки: 1 – слой монокристаллического кремния; 2 – место отслаивания части кремниевого слоя; 3 – пластина кремния






Рис.4.9. Профлограмма дефектной части структуры КНИ: 1 – поверхность приборного кремниевого слоя структуры КНИ; 2 – край отверстия в приборном слое; 3 – поверхность опорной пластины


В результате проведенных исследований и экспериментов по сращиванию кремниевых пластин и газовому скалыванию моно­кристаллического слоя кремния сделаны выводы о причинах и ме­ханизме образования пор в процессе сращивания пластин кремния. При проведении термического сращивания подложек количество частиц и их размер непосредственно влияют на качество соедине­ния пластин и размер пор. На рис.4.10 представлен механизм обра­зования пор из-за присутствия частиц при получении структур КНИ сращиванием подложек. При удалении части приборного слоя происходит нарушение целостности слоя кремния в местах локаль­ного прогиба опорной или рабочей подложки кремния, что наибо­лее вероятно, в местах, содержащих механические частицы.





Рис.4.10. Образование поры от механической частицы при проведении про­цесса сращивания пластин кремния





Рис.4.11. Зависимость размера пор между сращиваемыми пластинами от вели­чины механических частиц

Расчетная зависимость размера пор на границе сращиваемых полупроводниковых пластин толщиной 525 мкм от величины ме­ханических частиц представлена на рис.4.11.

Расчеты показывают, что присутствие 150 частиц размером бо­лее 0,3 мкм, равномерно распределенных по поверхности пластины диаметром 150 мм перед термокомпрессионным сращиванием под­ложек, приведет к невозможности изготовления на подобной структуре интегральных схем с размером более 1 см2. Таким обра­зом, на операции сращивания средняя величина полезной площади изолированного монокристаллического кремния, не включающей поры, при вышеуказанном уровне загрязнения пластины может быть менее 1 см2. Таким образом, процесс получения структур КНИ необходимо осуществлять в условиях, исключающих попада­ние микрочастиц на поверхность исходных пластин.

При имплантации протонов загрязнения экранируют поверх­ность пластины. Это приводит к неравномерности распределения внедренной дозы протонов, неравномерности области среднего пробега имплантированных протонов и, как следствие, к образова­нию сквозных пор при отслаивании части приборного слоя. На рис.4.12 приведена схема экранирования механическими части­цами поверхности пластин кремния при проведении процесса им­плантации.





Рис.4.12. Схема экранирования механическими частицами имплантированной поверхности кремния


В результате проведенных исследований выявлены причины, приводящие к браку структур КНИ, получаемых сращиванием пла­стин. К этим причинам можно отнести: 1) загрязнение перед опе­рацией имплантации протонов водорода, при сращивании пластин кремния; 2) шероховатость поверхности; 3) геометрическое несо­вершенство поверхности (прогиб, коробление, локальная непло­скостность). Загрязнения на поверхности полупроводниковых пла­стин перед проведением сращивания являются основной причиной брака. Ужесточение требований к чистоте и совершенству поверх­ности пластин кремния необходимо не только для получения структур "кремний на изоляторе", но и для производства инте­гральных схем на основе этих структур. Причем при уменьшении минимальных топологических норм Bmin увеличиваются требова­ния к размеру и количеству поверхностных механических загряз­нений подложек. В случае Bmin = 1,0 мкм размер частиц должен быть меньше 0,5 мкм.


^

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ К ГЛАВЕ 4



1. Stengl R, Tan T, Goesele U. A model for the silicon wafer bonding process // J. Appl. Phys. 1989. V. 28. № 10. P. 1735 – 1741

2. Герасименко Н.Н. Кремний, облученный протонами. Современные проблемы ядерной физики, физики и химии конденсированных сред // Труды 1-й Московской Международной школы физики ИТЭФ. 17 – 26 февраля 1998 г., Звенигород, Московской обл. 1998. С. 173 – 179.

3. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П., Суворов А.Л., Шарков Б.Ю., Залужный А.Г., Графутин В.И., Козодаев М.А. Особенности технологии изготовления КНИ структур прямым сращиванием пластин кремния и контроля их качества // Препринт ИТЭФ 24 – 00. M., 2000. 20 с.

4. Суворов А.Л., Чаплыгин Ю.А., Тимошенков С.П., Графутин В.И., Дьячков С.А., Залужный А.Г., Калугин В.В., Прокопьев Е.П., Реутов В.Ф., Шарков Б.Ю. Анализ преимуществ, перспектив применений и технологий производства структур КНИ // Препринт ИТЭФ 27 – 00. М., 2000. 51 с.

5. Sensor Technology Devices Ed. Ljubisa Rustic. Boston - London: Artech House, 1994. P. 157 – 201.

6. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П. Модель прямого низко­температурного соединения пластин кремния с использованием химической сборки поверхности методом молекулярного наслаи­вания: обзор // Материаловедение. 2001. № 1. С. 44 – 52.

7. Прокопьев Е.П., Петров С.В. Модель сращивания пластин кремния по данным газовыделения. М., 1996. С. 103–112. – Деп. в ЦНИИ "Электроника". Р–5502.

8. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П. Особенности процесса прямого соединения пластин кремния // Материаловедение. 1999. № 5. С.43 – 45.

9. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П., Дягилев В.В. Движение и залечивание пор и полостей вблизи границы сращивания стандарт­ных пластин кремния // Известия вузов. Электроника. 1998. № 5. С. 39 – 44.

10. Ежовский Ю.К., Вайнштейн П.М. Химическая активность и особенности взаимодействия ОН-групп на поверхности монокри­сталлического кремния // Журнал прикладной химии. 1998. Т. 71. № 2. С. 227 – 231.

11. Алесковский В.Б. Стехиометрия и синтез твердых соединений. Л.: Наука, 1976. 140 с.

12. Алесковский В.Б. Химия твердых веществ. М.: Высшая школа, 1978. 258 с.

13. Малыгин А.А. Метод молекулярного наслаивания - основа химической нанотехнологии материалов твердотельной электро­ники // Петербургский журнал электроники. 1996. № 1. С. 22.

14. Кольцов С.И. Химическое конструирование твердых ве­ществ. Л.: Изд-во ЛТИ им. Ленсовета, 1990. 48 с.

15. Алесковский В.Б. Химия надмолекулярных соединений. Учеб. пособие. Спб: Изд-во С. - Петербург. ун-та, 1996. 256 с.

16. Малыгин А.А. Химическая сборка поверхности твердых тел методом молекулярного наслаивания // Соросовский образователь­ный журнал. 1998. № 7. С. 58 – 63.

17. Tong Q.-Y., Goesele U. A Model of Low-Temperature Wafer Bonding And Its Applications // J. Electrochem. Soc. 1996. V. 143. № 5. P. 1773 – 1779.

18. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П. Определение энергии связи прямого соединения пластин кремния методом генерации трещины между поверхностями сращивания: обзор // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. 1999. № 3. С. 45 – 49.

19. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П. Возможность прямого со­единения пластин кремния с использованием химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания // Материало-ведение. 1999. № 4. С. 49 – 51.

20. Tong Q.-Y., Goesele U. Wafer Bonding and Layer Splitting for Microsystem // Adv. Mater. 1999. V. 11. № 17. P. 1409 – 1425.

21. Tong Q.-Y., Goesele U. Semiconductor Wafer Bonding: Science, Technology. Wiley. New York. 1998. 326 p.

22. Суворов А.Л., Чаплыгин Ю.А., Тимошенков С.П., Графу­тин В.И., Крамер П.В., Залужный А.Г., Прокопьев Е.П., Шарков Б.Ю. Smart-cut технология получения структур КНИ // В кн.: Водо­родная обработка материалов, Труды 3-ей Международной Конфе­ренции "ВОМ-2001". Украина. Донецк. 14 – 18 мая 2001 г. Ч. 1,2. Донецк – 2001. С. 262 – 264.

23. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П. К вопросу определения энергии связи прямого соединения пластин кремния методом генерации (вскрытия) трещины между поверхностями сращивания // Материаловедение. 2000. № 8. С. 25 – 28.

24. Суворов А.Л., Чаплыгин Ю.А., Тимошенков С.П., Графутин В.И., Залужный А.Г., Прокопьев Е.П., Шарков Б.Ю. Smart-cut технология получения структур КНИ с использованием методов химической сборки поверхности // Научная сессия МИФИ-2001 года. Сборник научных трудов. Т. 9. М.: МИФИ, 2001. C. 22, 23.

25. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П. Некоторые вопросы теории сращивания стандартных пластин кремния // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. 1999. № 3. С. 35 – 44.

26. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П. Прямое соединения пла­стин кремния с использованием химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания в технологии получения КНИ структур // Тезисы докладов Всероссийской конференции с между­народным участием "Сенсор-2000". Сенсоры и микросистемы 21 – 23 июня 2000. Санкт-Петербург. Изд-во НИИ химии СПбГУ, 2000. С. 208.

27. Прокопьев Е.П., Тимошенков С.П., Калугин В.В. Технология КНИ структур // Петербургский журнал электроники. 2000. № 1. С. 8 – 25.

28. Тимошенков С.П., Прокопьев Е.П., Дьячков С.А., Калу­гин В.В. Очистка и активация поверхности в методе прямого со­единения пластин кремния с использованием химической сборки поверхности методом молекулярного наслаивания с целью получе­ния КНИ структур // Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России. 2000. № 3. C. 75 – 84.

29. Timoshenkov S.P., Prokopiev E.P. Possibility of silicon wafers bonding with chemical assembling of surface by molecular layers arrangement method. Abstracts on NATO Advanced Research Workshop (NATO ARW). Ukraine. Kyiv, October 2 – 5, 2000. C. 23,24.

30. Готра З.Ю. Технология микроэлектронных устройств. М.: Радио и Связь. 1991. 528 с.

31. Буренков А.Ф. и др. Пространственное распределение энер­гии, выделенной в каскаде атомных столкновений в твердых телах. М.: Энергоатомиздат, 1985. 248 с

32. Александров П.А. и др. // Труды 9-ого Межнационального совещания "Радиационная физика твердого тела". Севастополь, 28.06 – 03.07 1999. М.: Наука, 1999. Т. l, с.330.

33. Александров П.А. и др. // Вестник Нижегородского универ­ситета им. Н.И. Лобачевского. Сер. Физика твердого тела. Вып.2. По материалам 4-ого Всероссийского семинара "Физические и фи­зико-химические основы ионной имплантации". Н.Новгород 9 – 11.06.1998. Сборник докладов. Н.Новгород: Изд-во Нижегород­ского университета, 1998. С. 17.

34. Колобов Н.А., Самохвалов М.М. Диффузия и окисление полупроводников. М.: Металлургия, 1975. С. 228 – 233.

35. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М.: Мир, 1979. 517 с.

36. Хакен Г. Синергетика. М.: Мир, 1980. 404 с.

37. Прокопьев Е.П. // Письма в ЖТФ. 1992. Т.18. Вып.18. С. 80 84.

38. Прокопьев Е.П. // Журнал прикладной химии. 1993. Т. 66. Вып.6. С. 1242 – 1245.

39. Реутов В.Ф., Ибрагимов Ш.Ш. Способ изготовления тонких пластин кремния. Авторское свидетельство СССР № 1282757, 30.12.1983.

40. Bruel M. Silicon on insulator material technology // Electronics Letters. 1995. V. 31. № 14. P. 1201 – 1202.

41. Калугин В.В. Исследование и разработка процессов подготовки поверхности кремниевых пластин при изготовлении структур кремний на изоляторе // Автореф. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. МИЭТ (ТУ), 2001.

42. Bogdanovich B.Yu., Nesterovich A.V., Puchkov A.V. Material properties modification by means of high-voltage injector with mixed electron-proton beam // European Conference on accelerators in applied research and technology, August 26 – 30, 1997, P. 133.

43. Bogdanovich B.Yu., A.Nesterovich A.V., Korenev S., Masunov E.S. Conception of electron linac with regulation of main parameters for radiation technologies // Proceeding of the 2001 particle accelerator Conference., June 12 – 22, 2001, Chicago, USA, Abstracts, P. 153.

44. Bogdanovich B.Yu., Gavrilov N.M., Nesterovich A.V., Ostrikov S.V., Stepanov S.S., Zubovsky V.P. Multibam RF ion source with grounded RF generator for high current accelerators and neutron generators // Proceeding of the 1999 particle accelerator Conference. New York, P. 1932 – 1933.

45. Nesterovich A.V., Puchkov A.N. A versatile injector of ion, electron and ion-electron beams // Instruments and experimental techniques. 1999. V. 42, № 5. P. 658 – 661.

46. Bogdanovich B.Yu., Nesterovich A.V., Puchkov A.N. Experimental study of system for a simultaneous bend of unidirectional electron and proton beams // Proceeded of the XX international linac Conference, Monterey, California, USA, August 21 – 25. 2000. V. 1, P. 287 – 289.

47. Богданович Б.Ю., Нестерович А.В., Пучков А.Н., Успен­ский М.Н. Электронно-ионный источник для модификации свойств материалов // Материалы 4-ой Всероссийской конференции по мо­дификации свойств конструкционных материалов пучками заря­женных частиц. 13 - 17 мая. 1996. Томск ТПУ, С. 26 – 28.

48. Bogdanovich B.Yu., Nesterovich A.V. Accelerator with electron-ion beam. New materials in Russia // The proceeded for the 5th Workshop on advanced technology in Russia. October 15. 1997. JST. Tokyo. Japan. P. 23.

49. Bogdanovich B.Yu., Nesterovich A.V. A multifactoring charged particles accelerator for medicine and industry applications. New materials in Russia // The proceeded for the 5th Workshop on advanced technology in Russia, October 15, 1997, JST, Tokyo, Japan, P. 23.

50. Bogdanovich B.Yu., Nesterovich A.V., Abramenko N.I. Ion microwave source for linear accelerator // Proceeded of the 5th european particle accelerator Conference EPAC-96, Barcelona, June 10 – 14. 1996. P. 2773 – 2774

51. Богданович Б.Ю., Нестерович А.В. Пучки и плазма в высокочастотных полях ускорителей. М.: МИФИ, 2000.

52. Абраменко Н.И., Гаврилов Н.М., Нестерович А.В., Гро­мов Е.В., Шальнов А.В., Волков А.П. и др. Линейный ускоритель протонов РУЛ МИФИ. Теория, расчет и экспериментальные ра­боты по ускорителям заряженных частиц. М.: Энергоатомиздат, 1982. С. 75 – 79.

53. Абраменко Н.И., Гаврилов Н.М., Нестерович А.В., Громов Е.В., Капин В.В., Остриков С.В. и др. Семипучковый ВЧ-инжектор с изолированным вводом мощности // Тезисы докладов на 2-ом Всесоюзн. научно-техн. совещ. "Вопросы разработки и применения портативных генераторов нейтронов". М., ГККАЭ, 1987, С. 149, 150.




Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:

Похожие:

Технология прямого iconРабочая программа дисциплины «биохимия» для специальностей: 260203 «Технология сахаристых продуктов»;

Технология прямого iconФормирование у школьников навыков здорового питания средствами учебно-методического комплекса в образовательной

Технология прямого iconПоказания к изготовлению прямого винира

Технология прямого iconКонспект лекций по курсу технология лекаственных форм и галеновых препаратов для студентов специальности

Технология прямого iconРабочая программа дисциплины "Химия пищи" для специальности 271100 "Технология молока и молочных

Технология прямого iconУчебное пособие для студентов специальностей 271200 «Технология продуктов общественного питания»

Технология прямого iconНеправильный философ спасти Кратила. Мыслебытие. Остойкости прямого взгляда

Технология прямого iconВосстановление дефектов тканей зуба некариозного происхождения методом прямого винирования

Технология прямого icon2. Гипербилирубинемия с повышением уровня прямого билирубина отмечается при всех ниже перечисленных

Технология прямого iconРабочая программа дисциплины «Биохимия» для специальности 260501 «Технология продуктов общественного

Разместите кнопку на своём сайте:
Медицина


База данных защищена авторским правом ©MedZnate 2000-2019
обратиться к администрации | правообладателям | пользователям
Документы