КулЛиб - Классная библиотека! Скачать книги бесплатно 

Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники: пособие по курсовой работе [В. А. Юзова] (pdf) читать онлайн

Книга в формате pdf! Изображения и текст могут не отображаться!


 [Настройки текста]  [Cбросить фильтры]
УДК 621.38(075)
ББК 32.85я73
Ю20
Электронный учебно-методический комплекс по дисциплине «Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники» подготовлен в рамках реализации Программы развития федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»
(СФУ) на 2007–2010 гг.
Рецензенты:
Красноярский краевой фонд науки;
Экспертная комиссия СФУ по подготовке учебно-методических комплексов дисциплин

Ю20

Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники
[Электронный ресурс] : пособие по курсовой работе / сост. : В. А. Юзова,
Г. Н. Шелованова. – Электрон. дан. (5 Мб). – Красноярск : ИПК СФУ, 2009. –
(Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники : УМКД
№ 1524/1092–2008 / рук. творч. коллектива Г. Н. Шелованова). – 1 электрон.
опт. диск (DVD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 512 Мб оперативной памяти ; 50 Мб
свободного дискового пространства ; привод DVD ; операционная система Microsoft Windows XP SP 2 / Vista (32 бит) ; Adobe Reader 7.0 (или аналогичный
продукт для чтения файлов формата pdf).
ISBN 978-5-7638-1686-0 (комплекса)
Номер гос. регистрации в ФГУП НТЦ «Информрегистр» 0320902505 (комплекса)
Настоящее издание является частью электронного учебно-методического комплекса по дисциплине «Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники», включающего учебную программу дисциплины, курс лекций, лабораторный практикум, методические указания по самостоятельной работе, контрольноизмерительные материалы «Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Банк тестовых заданий», наглядное пособие «Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Презентационные материалы».
В данном пособии по курсовой работе изложены структура курсовой работы, требования по ее оформлению, задания, семестровый график, методики выполнения курсовой работы, приведен библиографический список.
Предназначено для студентов подготовки магистров 210100.68 «Электроника и
наноэлектроника», укрупненной группы «Электронная техника, радиотехника и
связь».
© Сибирский федеральный университет, 2009
Рекомендовано к изданию Инновационно-методическим управлением СФУ
Редактор Л. И. Вейсова

Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр технологий электронного обучения Информационно-телекоммуникационного комплекса СФУ; лаборатория
по разработке мультимедийных электронных образовательных ресурсов при КрЦНИТ
Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм.

Подп. к использованию 30.11.2009
Объем 5 Мб
Красноярск: СФУ, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

Оглавление

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ..................................................... 6
1. СТРУКТУРА КУРСОВОЙ РАБОТЫ И ТРЕБОВАНИЯ
ПО ОФОРМЛЕНИЮ ...................................................... 8
2. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ ....................... 12
3. СЕМЕСТРОВЫЙ ГРАФИК ВЫПОЛНЕНИЯ
КУРСОВОЙ РАБОТЫ ................................................. 14
4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК
ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ. МЕТОДИКА
ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ............... 16
4.1. Параметры полупроводниковых подложек
и требования к ним.................................................................................... 16
4.2. Классификация абразивных материалов
и их основные параметры ....................................................................... 20
4.3. Зернистость порошков абразивных материалов
и их обозначение ....................................................................................... 23
4.4. Общая характеристика абразивов................................................... 27
4.5. Ультрадисперсные алмазные порошки и их свойства ............... 33
4.6. Взаимодействие единичного алмазного зерна
с обрабатываемой поверхностью.......................................................... 39
4.7. Шлифование полупроводниковых подложек............................... 43
4.7.1. Классификация методов шлифования ...................................................... 43
4.7.2. Шлифование свободным абразивом......................................................... 44
4.7.3. Оборудование и технологические приемы
при шлифовании свободным абразивом ........................................................... 48
4.7.4. Приготовление суспензий для шлифования ............................................ 50
4.7.5 Шлифование свободным абразивом,
уплотненным инерционными силами.................................................................. 53

4.8. Полирование полупроводниковых пластин ................................. 54
4.8.1. Особенности полирования........................................................................... 54
4.8.2. Способы и механизмы полирования......................................................... 57
4.8.3. Механическое полирование ......................................................................... 57
4.8.4. Основы химического травления полупроводников ............................... 61
4.8.5. Химико-механическое полирование........................................................... 65
4.8.6. Бесконтактное полирование ........................................................................ 66


Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

3

ОГЛАВЛЕНИЕ

4.8.7. Механохимическое (трибомеханическое) полирование......................... 68
4.8.9. Оборудование для полирования ................................................................ 72

4.9. Основные направления формирования полировальных
составов с заданными свойствами ....................................................... 74
4.9.1. Дисперсные системы .................................................................................... 74
4.9.2. Свойства твердой фазы (порошков) и ее подготовка ............................ 76
4.9.3. Назначение жидкости в процессе полирования ..................................... 88

4.10. Полирующие составы для суперфинишной обработки
полупроводников ...................................................................................... 92
4.11. Основные рекомендации по разработке технологической
схемы обработки поверхности подложки ............................................ 96
5. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЧАСТИ КУРСОВОЙ
РАБОТЫ ..................................................................... 98
5.1. Определение материала подложки ................................................. 98
5.1.1. Краткие теоретические сведения ................................................................ 98
5.1.2. Методика выполнения качественного фазового анализа .................. 100
5.1.3. Порядок выполнения качественного
фазового анализа материала подложки............................................................ 101

5.2. Определение кристаллографической ориентации поверхности
подложки и ее кристаллической структуры ....................................... 102
5.2.1. Краткие теоретические сведения .............................................................. 102
5.2.2. Порядок выполнения исследований ....................................................... 103

5.3. Определение плотности дислокаций............................................ 103
5.3.1. Краткие теоретические сведения .............................................................. 103
5.3.2. Порядок определения плотности дислокаций металлографическим
методом.................................................................................................................... 104
5.3.3. Указания о порядке исследований ........................................................... 105

5.4. Определение удельного сопротивления подложки................... 106
5.4.1. Теоретические сведения............................................................................. 106
5.4.2. Методика измерений.................................................................................... 108

5.5. Определение типа электропроводности и концентрации
основных носителей............................................................................... 109
5.5.1. Фотопотенциал полупроводникового электрода .................................. 109
5.5.2. Исследование электролитов для формирования контакта
«полупроводник – электролит»........................................................................... 111
5.5.3. Установка для измерения ........................................................................... 112
5.5.4. Порядок выполнения работы.................................................................... 114

5.6. Расчет подвижности основных носителей.................................. 117
5.7. Определение диффузионной длины и времени жизни
неосновных носителей........................................................................... 118


Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

4

ОГЛАВЛЕНИЕ

5.7.1. Теоретические сведения............................................................................. 118
5.7.2. Методика измерений.................................................................................... 121

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .......................... 123
Основная литература.............................................................................. 123
Дополнительная литература ................................................................. 123



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

5

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Одной из главных задач изучения дисциплины «Актуальные проблемы
современной электроники и наноэлектроники» является овладение методами
экспериментального исследования. Поэтому курсовая работа посвящена
комплексной аттестации полупроводниковых подложек.
Подложка – неотъемлемый элемент микро- и наноэлектроники. От ее
качества во многом будут зависеть надежность, долговечность и рабочие
характеристики изготовленных на ее основе приборов и структур. Современный технолог должен иметь представление о технологии изготовления,
основных параметрах подложек и владеть широко распространенными методами их оценки.
Основные методы исследования полупроводников в той или иной мере
были изучены студентами направления профессиональной подготовки
210100 «Электроника и наноэлектроника» ранее. Изучение части методов
исследования подложек микро- и наноэлектроники предусмотрено программой дисциплины «Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники» в рамках лабораторных работ [1, 3]. В данной курсовой работе
полученные знания должны быть востребованы комплексно.
Целью курсовой работы является выработка творческих и исследовательских навыков.
 В задачи курсовой работы входит:
 самостоятельный анализ существующих технологий и принятие на
его основе конкретных решений;
 подготовка к выполнению и оформлению выпускной квалификационной работы, представляемой в виде магистерской диссертации;
 приобретение навыков публичной защиты своих решений;
 выработка умений оформления научно-исследовательских работ по
нормативным документам;
 выработка умений самостоятельного поиска необходимых сведений
в литературных источниках.
Трудоемкость курсовой работы по дисциплине «Актуальные проблемы
современной электроники и наноэлектроники» согласно [1] составляет 1 з. е.,
т. е. 36 часов. Курсовая работа состоит из двух частей: теоретической и экспериментальной, и содержит не менее 30 листов формата А4 расчетнопояснительной записки.
Курсовая работа выполняется самостоятельно согласно графику учебного процесса [1] в течение 14 недель. Выдача темы на курсовую работу
производится ведущим преподавателем по дисциплине на 2-й неделе обуче-



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

6

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

ния. Сдача курсовой работы проводится на 15-й неделе. За неделю до защиты, т. е. на 14-й неделе, осуществляется проверка курсовой работы преподавателем и допуск к публичной защите.
Роль курсовой работы в качестве подготовки специалистов сводится
в основном к выработке умений. Полученные при изучении теоретического
курса знания, приобретенные в ходе выполнения лабораторных работ навыки
закрепляются при выполнении курсовой работы и формируют умения.
Поэтому курсовая работа занимает одно из важнейших мест в качестве подготовки специалистов в области электроники и наноэлектроники.
Реализуемые в курсовой работе компетенции направлены на выработку
именно умений. Выполнение курсовой работы помогает студентам научиться:
 уметь использовать современные информационные и компьютерные
технологии, средства коммуникаций, способствующие повышению эффективности научной и образовательной сфер деятельности (ИК-1);
 анализировать, критически осмысливать и систематизировать передовой отечественный и зарубежный научный опыт в профессиональной сфере деятельности (ОНК-2);
 умению к постоянному самообучению и самосовершенствованию
в профессиональной и социально-общественных сферах деятельности (СЛК-1);
 разрабатывать технические задания, эскизные и технические проекты
на изготовление приборов, схем и устройств электроники и наноэлектроники
различного функционального назначения на основе базовых конструкций
и базовых технологических процессов (ПТД-1);
 владеть методами контроля соответствия эксплуатационных характеристик объекта производства требованиям технического задания, готовность
применять современные системы управления качеством выпускаемой продукции (ПТД-2);
 формулировать цели и задачи научных исследований в соответствии
с тенденциями и перспективами развития электроники и наноэлектроники,
а также смежных областей науки и техники, обоснованно выбирать теоретические и экспериментальные методы и средства решения сформулированных
задач (НИД-1);
 владеть принципами планирования и автоматизации эксперимента на
основе информационно-измерительных комплексов как средства повышения
точности и снижения затрат на его проведение, навыками измерений в реальном времени (НИД-3).



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

7

1. СТРУКТУРА КУРСОВОЙ РАБОТЫ
И ТРЕБОВАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ
Тематика курсовой работы связана с аттестацией полупроводниковой
твердотельной среды, выполненной в виде подложек.
Курсовая работа состоит из двух частей: теоретической и экспериментальной.
В теоретической части курсовой работы следует ознакомиться и проанализировать существующие технологии обработки поверхностей подложек
электроники и наноэлектроники. Разработать и описать одну из возможных
типовых технологических схем обработки поверхности полупроводниковой
подложки, выполненной из заданного материала. Рекомендуется следующий
план изложения теоретического материала:
1. Характеристика общей схемы технологического процесса обработки
полупроводниковой подложки.
2. Описание типового процесса шлифования подложек.
3. Типовой процесс полирования поверхности полупроводников.
4. Перспективы в обработке полупроводниковых подложек.
При описании типовых процессов шлифования и полирования нужно
рассмотреть следующие вопросы:
 цели и особенности каждого этапа процесса обработки;
 используемые абразивы;
 типы полировальников;
 способы крепления подложек к планшайбам (шлифовальным и полировальным головкам);
 способы приготовления суспензий или паст;
 требования к технологическим режимам,
 выходные параметры подложек после каждой стадии обработки.
Экспериментальная часть курсовой работы должна быть посвящена
аттестации подложек по физико-химическим параметрам. В этой части курсовой работы требуется экспериментально определить:
 фазовый состав материала подложки;
 кристаллографическую ориентацию поверхности подложки;
 кристаллическую структуру материала;
 плотность дислокаций;
 удельное сопротивление;
 тип электропроводности;
 подвижность основных носителей;
 диффузионную длину и время жизни неосновных носителей.
В данной курсовой работе не предполагается выполнение графической
части. Пояснительная записка оформляется в соответствии с [7] (СТО 4.2-07–
2008).
Пример оформления титульного листа приведен на рис. 1.1. Титульный
лист заполняют с соблюдением следующих размеров полей: справа – не менее 10 мм; сверху, снизу и слева – не менее 20 мм.


Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

8

1. СТРУКТУРА КУРСОВОЙ РАБОТЫ И ТРЕБОВАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ

Первым листом пояснительной записки является лист задания, пример
оформления которого дан на рис. 1.2. Далее приводят содержание, которое
оформляется согласно [7, подраздел 6.6] (СТО 4.2-07–2008). После содержания располагают основную часть пояснительной записки, включающую два
раздела. В одном излагают теоретический материал по теме курсовой работы, в другом приводят описание эксперимента.
Заголовки разделов начинают с абзацного отступа, печатают с прописной буквы, без точки в конце, не подчеркивая. Если заголовок состоит из
двух предложений, их отделяют точкой. Разделы нумеруют арабскими цифрами, номер проставляют перед заголовком раздела. Текст разделов, при
необходимости, разбивают на подразделы, пункты и подпункты, которые
нумеруют в пределах каждого раздела.
Пример
1, 2, 3 и т. д. – нумерация разделов;
1.1; 1.2; 1.3 и т. д. – нумерация подразделов первого раздела;
1.1.1; 1.1.2; и т. д. – нумерация пунктов в первом подразделе первого
раздела.
Заголовки разделов и подразделов отделяют от текста интервалом
в одну строку.
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
______________________________________________
Институт

_________________________________________________________________
Кафедра

КУРСОВАЯ РАБОТА
____________________________________________________
(Тема работы)

_________________________________________________________________
____________________________________________________
Пояснительная записка

Преподаватель

__________
подпись, дата

_____________
инициалы, фамилия

Студент ______________

__________

_____________

код (номер) группы

подпись, дата

инициалы, фамилия

Красноярск 20__
Рис. 1.1. Пример оформления титульного листа пояснительной записки курсовой работы


Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

9

1. СТРУКТУРА КУРСОВОЙ РАБОТЫ И ТРЕБОВАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ

Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
______________________________________________
Институт

_________________________________________________________________
Кафедра

ЗАДАНИЕ
на курсовую работу
1. Тема курсовой работы________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
2. Дата выдачи задания ___________________________________________
3. Срок сдачи студентом законченной работы ________________________
_______________________________________________________________
5. Исходные данные к курсовой работе:
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________

___________________________________________________________
6. Перечень вопросов, рассматриваемых в курсовой работе
_________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________
_______________________________________________________________

___________________________________________________________

Преподаватель

__________
подпись, дата

Студент ______________
код (номер) группы

_____________

инициалы, фамилия

__________
подпись, дата

_____________
инициалы, фамилия

Рис. 1.2. Пример оформления листа задания на выполнение курсовой работы

Каждый раздел текстового документа рекомендуется начинать с нового листа
(страницы).


Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

10

1. СТРУКТУРА КУРСОВОЙ РАБОТЫ И ТРЕБОВАНИЯ ПО ОФОРМЛЕНИЮ

Текст пояснительной записки выполняют с использованием компьютера на одной стороне листа белой бумаги формата А4 (210×297) мм шрифтом
Times New Roman размером 14. Межстрочный интервал принимают одинарным либо полуторным. Абзацный отступ – 1,25 см.
В текстовом документе допускается отдельные слова, формулы, условные знаки, иллюстрации выполнять от руки, используя чертежный шрифт
(черной пастой или тушью). В тексте не следует применять сокращения слов,
кроме установленных правилами русской орфографии.
Пояснительную записку в курсовой работе допускается выполнять без
рамки и основной надписи с соблюдением следующих размеров полей: левое –
30 мм, верхнее и нижнее – 20 мм, правое – 10 мм.
Иллюстрации, таблицы, графики библиографический список нужно
оформлять согласно стандарту СФУ СТО 4.2-07–2008 [7, раздел 7].



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

11

2. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Тематика курсовой работы связана с аттестацией полупроводниковой
твердотельной среды, выполненной в виде подложки.
У преподавателя имеется набор полированных с одной или двух сторон
подложек из кремния, германия или арсенида галлия. Выбор данных материалов обусловлен широким их использованием в электронике и наноэлектронике. Материал подложек находится в монокристаллическом состоянии
различной кристаллографической ориентации. Подбирают подложки, имеющие материалы с различными уровнем легирования, типом и составом легирующей примеси, т. е. подложки имеют неодинаковые как структурные, так
и электрические характеристики.
В настоящее время для исследований подобраны следующие подложки.
Материал подложки – кремний.
Подложки изготовлены из монокристаллических пластин n- и p-типа
электропроводности.
Легирующими примесями являются фосфор, бор.
Удельная электропроводность материала подложек варьируется от 0,1
до 50 Ом · см.
Кристаллографическая ориентация подложек (100) и (111).
Материал подложки – арсенид галлия.
Подложки изготовлены из монокристаллических пластин n- и p-типа
электропроводности.
Легирующими примесями являются цинк и теллур.
Концентрация основных носителей заряда варьируется от 2 · 1015 до
5 · 1017 см–3.
Кристаллографическая ориентация подложек (100) и (111).
Материал подложки – германий.
Подложки изготовлены из монокристаллических пластин n- и p-типа
электропроводности.
Легирующими примесями являются цинк и теллур.
Удельная электропроводность материала подложек 0,1 до 10 Ом·см.
Кристаллографическая ориентация подложек (100).
Преподаватель вправе предоставить подложки с иными характеристиками.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

12

2. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ

Студент получает у преподавателя часть полупроводниковой подложки, размеры которой достаточны для всех видов исследовании. Студенту сообщается название материала подложки (кремний, германий или арсенид
галлия). Структурные и электрические характеристики подложки студент
должен определить сам. Они известны только преподавателю.
Выполняются две части работы, которые оформляются в виде разделов
пояснительной записки:
1. Разработка и описание технологической схемы обработки полупроводниковых подложек наноэлектроники.
2. Определение основных параметров подложки, выполенной из ____
(вписать заданный материал).
Объем теоретической части курсовой работы (первый раздел) должен
быть не менее 15 страниц. Объем экспериментальной части (второй раздел)
должен быть не менее 15–20 страниц.
Структура каждой части работы изложена в главе 1 данного учебного
пособия.
Защита курсовой работы проводится публично по дополнительному графику вне часов аудиторных занятий. На защиту требуется:
оформленная по указанным выше требованиям пояснительная записка,
проверенная иподписанная преподавателем;
презентационные материалы, выполненные в Microsoft Office Power Point.
Время доклада на защите курсовой работы не должно превышать 10–
15 минут.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

13

3. СЕМЕСТРОВЫЙ ГРАФИК ВЫПОЛНЕНИЯ
КУРСОВОЙ РАБОТЫ

Курсовая работа выполняется студентом самостоятельно [3]. Рекомендуются следующие этапы и сроки выполнения курсовой работы, которые
заносятся студентом в бланк календарного графика. График подписывается
студентом и утверждается преподавателем. Форма бланка календарного графика приведена на рис. 3.1. Студент вправе поменять местами этапы 1–6,
изменить их сроки. Последовательность и сроки этапов 7, 8, 9 обязательны.
Этап 1. Анализ технологии получения подложек. Разработка технологической схемы обработки поверхности подложки. Оформление первого
раздела курсовой работы.
Этап выполняется на 3, 4, 5-й неделях.
Этап 2. Определение фазового состава материала подложки. Подтверждение полученным результатом того, что подложка выполнена из заданного материала.
Этап выполняется на 6-й неделе.
Этап 3. Исследование кристаллографической ориентации поверхности
подложки и ее кристаллической структуры. Определение плотности дислокаций.
Этап выполняется на 7-й неделе.
Этап 4. Измерение удельной электропроводности материала подложки.
Этап выполняется на 8-й неделе.
Этап 5. Определение типа электропроводности и концентрации основных носителей. Расчет подвижности основных носителей.
Этап выполняется на 9-й неделе.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

14

3. СЕМЕСТРОВЫЙ ГРАФИК ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

КАЛЕНДАРНЫЙ ГРАФИК
выполнения этапов курсовой работы
Наименование и содержание этапа

Преподаватель

Студент

Срок выполнения

Примечание

____________

_________________

подпись, дата

инициалы, фамилия

____________

________________

подпись, дата

инициалы, фамилия

Рис. 3.1. Форма календарного графика выполнения курсовой работы

Этап 6. Определение диффузионной длины и времени жизни неосновных носителей.
Этап выполняется на 10-й неделе.
Этап 7. Оформление курсовой работы. Выполняется на 11, 12, 13-й
неделях
Этап 8. Проверка курсовой работы. Проверка осуществляется в часы
аудиторных занятий, отведенных на 14-й неделе.
Этап 9. Публичная защита курсовой работы. Защита назначается по
особому графику вне часов аудиторных занятий.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

15

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК
ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ.
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ
ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ
4.1. Параметры полупроводниковых подложек
и требования к ним
Развитие полупроводниковой техники и элементной базы микросхем
требует постоянного совершенствования технологии подготовки подложки.
Требования к параметрам полупроводниковых подложек для изготовления
микросхем и приборов постоянно возрастают, что стимулирует поиск новых
методов и материалов для их обработки. Важнейшими параметрами являются диаметр и толщина, которые в значительной степени взаимосвязаны. Увеличивая диаметр подложки, можно снизить себестоимость одновременно изготавливаемых изделий. Однако при увеличении диаметра должна возрастать
и толщина подложки для сохранения ее механической прочности и термомеханической стойкости. Номинальные величины толщины кремниевых подложек при различных выпускаемых промышленностью диаметрах представлены в табл. 4.1.
К параметрам подложек относят и такие характеристики отклонений их
поверхности, как отклонения формы (неплоскостностность, прогиб, клиновидность), отклонения расположения (непараллельность) и шероховатость.
В процессе обработки на поверхности полупроводников могут образовываться дефекты: риски, царапины, выколки, ямки травления, точки и т. д.,
а также отличный по свойствам от свойств объема кристалла приповерхностный нарушенный слой.
Таблица 4.1
Размеры подложек кремния
Диаметр, мм
Номинальная
толщина, мкм

60

76

350

380
420
450
500

100
460
500
525
580
600

150

200

625

900

Требования к подложкам по этим параметрам зависят от функционального назначения изделий и стадии обработки: например, для изделий оптики
нарушенный слой и механические приповерхностные напряжения не рас-



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

16

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.1. Параметры полупроводниковых подложек и требования к ним

сматриваются, если они не изменяют характеристик оптических потоков
и лучей, а размеры царапин, точек, выколок регламентируются классами чистоты поверхности оптических изделий.
Для изделий микроэлектроники в некоторых случаях оговаривают
суммарную длину и количество рисок на пластине, остальные же описанные
дефекты не рассматривают, но зато тщательно следят за физико-химической
чистотой поверхности полупроводниковых подложек, характеризуя ее механическими (пыль и т. д.) и химическими (адсорбированными) примесями.
Наиболее широко распространенные требования к параметрам подложек кремния приведены в табл. 4.2. Указанные в табл. 4.2 численные значения параметров определяют финишными операциями обработки пластин,
однако контролируют практически все параметры после предварительных
операций.
Таблица 4.2
Параметры подложек , выполненных из кремния
Параметры пластин
Допустимое значение параметров
Диаметр, мм
60
76
100
125
150
Допуск на диаметр, мм
±0,5
Толщина, мкм
350
380
525
625
675
Допуск на толщину, мкм
±25
Длина базового среза, мм
18
22
32,5
42,5
50
Допуск на длину базового среза, мм
±3
±2,5
±3
Длина допуска среза, мм
10
11
18
17,5
20
Неплоскостность, мкм
7
5
Непараллельность сторон, мкм
8
10
13
15
18
Прогиб, мкм
Количество рисок, шт.
3
Суммарная длина рисок, мм
15
19
25
31
38
Кол-во частиц загрязнения на пластине, шт.
10
Отклонение от ориентации, град.
±1
Шероховатость рабочей поверхности
Rz < 0,05 мкм
Шероховатость нерабочей поверхности
Ra < 0,1 мкм
Дефектность поверхностного слоя
Полное отсутствие нарушенного слоя и
механических упругих напряжений. Плотность дислокаций не выше объемной.
Адсорбированные примеси:
атомы (атом/см2)
Меньше 1012–14
ионы (ион/см2)
Меньше 1012–14
молекулы (монослой)
Меньше одного монослоя

Экспресс-метод определения величин, характеризующих геометрическое совершенство формы пластин, состоит в измерении их толщины в шести
точках, пять из которых расположены на линиях, параллельных и перпендикулярных базовому срезу (срез, которым слиток полупроводникового материала приклеивается к держателю при его разрезании), а шестая точка расположена в центре обратной стороны пластины, т. е. под точкой 2 (рис. 4.1, а).


Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

17

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.1. Параметры полупроводниковых подложек и требования к ним

Стрела прогиба определяется как разность величин, полученных измерением толщины в точках 2 и 6 (рис. 4.1, б).
Клиновидность (рис. 4.1, в) условно вычисляется как абсолютное значение тангенса угла схождения двух плоскостей пластин, т. е. по отношению
разности измерений тангенса угла в точках 1 и 3 или в точках 4 и 5 к диаметру пластин.
Неплоскостность определяется по наибольшему расстоянию от точек
реального профиля (или реальной поверхности) до прилегающей прямой или
плоскости (рис. 4.1, г).

Рис. 4.1. Расположение контрольных точек измерения толщины (а)
и схематическое изображение геометрических дефектов формы пластин (б–г)

Рис. 4.2. Параметры при измерении
шероховатости поверхности

Шероховатость поверхности оценивается тремя возможными параметрами: Ra, Rz и Rmax. Параметр Ra характеризуется средним арифметическим
отклонением, т. е. средним значением расстояний yl, у2, уЗ ... уn от точек измеренного профиля до его средней линии (рис. 4.2), причем эти расстояния
суммируют без учета алгебраического знака. Математически параметр Ra


Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

18

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.1. Параметры полупроводниковых подложек и требования к ним

определяется формулой
l

Ra  1 / l  y ( x)dx ,

(4.1)

0

где x, y – абсцисса и ордината профиля, отсчитываемая по базовой линии; l –
базовая длина, в пределах которой производится интегрирование.
Параметр Rz показывает высоту микронеровностей рельефа по десяти
точкам:
5

5

i =1

i =1

Rz = 1/5 (  hmax i +  hmin i ) ,

(4.2)

где hmax i – высота i-гo наибольшего выступа рельефа; hmin i – глубина i-й наибольшей впадины рельефа.
Параметр Rmax характеризует наибольшую высоту неровностей профиля на базовой длине L .
По ГОСТ 2789-73 установлено 14 классов шероховатости (табл. 4.3).
Таблица 4.3
Классы шероховатости поверхности
Класс
а
б
в
а
б
в
а
б
в
а
б
в
а
б
в
а
б
в
а
б
в

8

9

10

11

12

13
14

Параметр шероховатости, мкм
Ra
Rz
От 0,63 до 0,5 вкл.

0,5–0,4

0,4–0,32

От 0,32 до 0,25 вкл.

0,25–0,2

0,2–0,16

От 0,16–0,125 вкл.

0,125–0,1

0,1–0,08

От 0,08–0,063 вкл.

0,063–0,05

0,05–0,04

От 0,04–0,032 вкл.

0,032–0,025

0,025–0,02


От 0,1–0,08 вкл.

0,08–0,063

0,063–0,05

От 0,05–0,04 вкл.

0,04–0,032

0,032–0,025

l
0,8

0,25

0,25

0,25

0,25

0,08
0,08

Однако в настоящее время все чаще требуется обработка полупроводниковых подложек с микрорельефом, не превышающим атомарных размеров,
поэтому постоянно происходит поиск новых методов обработки и материалов для их осуществления.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

19

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.2. Классификация абразивных материалов
и их основные параметры
Слово «абразив» латинского происхождения, в переводе на русский
язык означает «скоблить». Это понятие и определяет характер обработки,
выполняемой абразивными материалами. Под абразивными материалами понимают порошки, зерна которых обладают определенными свойствами:
твердостью, абразивной способностью, механической и химической стойкостью. При этом существуют природные (алмаз, корунд, наждак, гранат, кремень, кварцевый песок и др.) и синтетические (алмаз, карбид бора, карбид
кремния, электрокорунд, эльбор и др.) абразивные материалы.
На использовании различия в твердости полупроводников и абразивов
построены все процессы механической обработки. Под твердостью понимают способность абразивного материала сопротивляться вдавливанию в него
другого материала, не получающего остаточных деформаций. Твердость
обычно определяют нанесением риски (царапины) одним материалом на другой. Более твердый материал оставляет на более мягком материале царапину
определенной глубины. По этому принципу построена минералогическая
десятибалльная шкала Мооса, состоящая из десяти природных минералов.
Согласно этой шкале минералы характеризуются в порядке возрастания
твердости: тальк – 1, гипс – 2, кальцит – 3, флюорит – 4, апатит – 5, ортоглаз – 5, кварц – 7, топаз – 8, корунд – 9, алмаз – 10. Исследования в области
кристаллохимии абразивных материалов показали, что десятибалльная шкала
Мооса отличается значительной неравномерностью, особенно в промежутке
значений от 9 до 10, поэтому была предложена более соответствующая кристаллохимическим данным и электронному строению вещества 15-балльная
шкала твердости, эталоны которой в сочетании с эталонами шкалы Мооса
приведены в табл. 4.4.
Твердость абразивных материалов наиболее часто измеряется с помощью микротвердомеров, ее и называют микротвердостью. Микротвердость
определяется глубиной вдавливания в исследуемый материал при известной
нагрузке алмазной иглы заданного размера. Между твердостью по 10балльной шкале Н15 и микротвердостью Н существует зависимость, которая
выражается формулой А. А. Хрущева:
H15  0,67  3 H μ ,

(4.3)

где H μ – микротвердость, ГПа.
Микротвердость эталонов 10- и 15-балльных шкал приведена в табл. 4.4.
Для удобства интерполяции, а также перехода от одной шкалы к другой на рис. 4.3 твердость по минералогической шкале (10- и 15-балльной)
сопоставлена с микротвердостью соответствующих эталонов.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

20

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.2. Классификация абразивных материалов и их основные параметры

Абразивная способность показывает возможность с помощью одного
материала обрабатывать другой или группу различных материалов. Абразивную способность определяют количеством удаленного с поверхности обрабатываемого материала в единицу времени. Если принять абразивную способность алмаза за единицу, то для других материалов она распределится
следующим образом: карбида бора – 0,6; карбида кремния – 0,5; монокорунда – 0,25; электрокорунда – 0,15.
Таблица 4.4.
Эталоны твердости шкалы Мооса
(10- и 15-балльной минералогической шкалы твердости)
Микротвердость H μ , Твердость Н по минералогической шкале, балл
ГПа
10-балльная 15-балльная
Алмаз
С
100,6
10
15
Алмаз-карбонадо
С


14
Нитрид бора
β-BN
70,0–80,0

13
Карбид бора
В4С(В12С13)
50,0–58,0

12
Бор
В
34,0–36,0

11
Карбид титана
TiC
30,0–34,0

10
Корунд
α-Al2O3
20,0–22,0
9
9
Топаз
Al2[SiO2]·(F, OH)2
14,0–13,0
8
8
Кварц
α-SiO
10,0–12,5
7
7
Магнетит
FeFe2O2


6
Ортоглаз
K[AlSi3O8]
7,14–8,50
6

Шилит
Ca[WO4]
5,5–7,0

5
Апатит
Ca5[PO4]3 (Cl, FOH)
5,4–6,9
5

Флюорит
CaF2
1,64–2,60
4
4
Галенит
PbS
1,10–1,50

3
Кальцит
Ca[CO3]
1,05–1,70
3

Галит
NaCl
0,36–0,90

2
Гипс
Ca[SO4]2H2O
0,35–0,80
2

Тальк
Mg3[Si4O10(OH)2]
0,024–0,11
1
1

Название
материала эталона

Химическая
формула

Под механической стойкостью понимают способность абразивного материала выдерживать механические нагрузки и не разрушаться при механической обработке полупроводников. Она может характеризоваться пределом
прочности при сжатии, который определяют, раздавливая зерно абразива
и фиксируя нагрузку в момент его разрушения. Предел прочности абразивных материалов при повышении температуры снижается. Механическую
стойкость может характеризовать хрупкость материала, которую определяют
воздействием на него сосредоточенной ударной нагрузкой.
Механические свойства абразивных материалов характеризуют модуль
упругости.
Химическая стойкость – способность абразивных материалов не изменять своих механических свойств в растворах щелочей, кислот, а также в воде и органических жидкостях.


Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

21

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.2. Классификация абразивных материалов и их основные параметры

Hμ, ГПа
Рис. 4.3. Сопоставление 10- и 15-балльной шкал Мооса с микротвердостью

По твердости абразивы подразделяются на материалы пониженной
твердости (крокус,окись хрома, двуокись кремния и др.), обычной твердости
(карбид кремния, электрокорунд, карбид бора и др.), сверхтвердые (алмазы,
кубический нитрид бора и др). Физико-механические свойства абразивных
материалов представлены в табл. 4.5.
Таблица 4.5
Физико-механические свойства основных абразивных материалов
КристалМодуль
МикроПлотность, Температура
Абразивный Химическая Твердость
лическая
упругости,
твердость,
материал
формула по Моосу
кг/м2103 плавления, К
решетка
МПа
МПа
1
2
3
4
5
6
7
8
ГексагоКварц
Si02
7,0
98–107
2,59
1883
10300
нальная
ТригоКорунд
Al2O3
9,0
186–216 3,95–4,10
2323
52000
нальная
Наждак
Нет сведений
9,0
186–216
4,10
Нет сведений
Нет сведений
-Нет
Гранат
6,5–7,5 127–162 3,51–4,18
---сведений
ГексогоКремень SiO2 (до 95 %)
7,0
98–107
2,55
1273
-нальная
ТригоКарбид
9,3
363–441 2,48–2,52
2623
296 000
B4C(B12C13)
нальная
бора
Карбид
КубичеSiC
9,5–9,8 274–343 3,12–3,20 2473–2873
365 000
кремния
ская
ЭлектроТригоAl2O3 (до 97 %)
9,0
176–235 3,95–4,10
2323
52 000
корунд
нальная



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

22

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.2. Классификация абразивных материалов и их основные параметры
Окончание табл. 4.5
1
Крокус
Полирит
Оксид тория
Двуокись
циркония
Окись хрома
Алмаз
Кубический
нитрид бора

2
Fe2O3
CeO2
ThO2

3
5,0–6,0
6,0–7,0
6,5

4




5
5,25
5,80–6,20
9,7

6
1838
2973
3473


843–980

7
8
Нет сведений
-Кубическая
---Тетрогональная
5,68
2973
-или кубическая
3,49–3,54
2602
Кубическая
900 000
3,50–3,54 3973–4273
720 000
--

ZrO2





Cr2O3
C

9,0
10,0

BN



784–882

3,50–3,54

3273

--

720 000

Абразивные материалы применяют либо в связанном состоянии в виде
инструментов различных конструкций, либо в свободном состоянии в виде
порошков, паст или суспензий. Следует отметить, что при выборе для обработки мягких полировальников свободные абразивные зерна паст или суспензий закрепляются в них, становясь отчасти связанными полировальной
основой абразивами. Конечно, сила закрепления зерна в этом случае не столь
велика, как в инструменте, но считать отдельное зерно совершенно свободным и способным к перекатыванию по поверхности полировальника нельзя.
Поэтому обработка в данном случае относится к обработке полусвязанным
абразивом. Некоторые авторы считают данный абразив связанным, так как
его зерна не способны к свободному перекатыванию.

4.3. Зернистость порошков абразивных материалов
и их обозначение
Абразивные материалы классифицируют по крупности частиц. Классификацию шлифовальных зерен и порошков по крупности осуществляют
рассевом ситами на специальном оборудовании, позволяющем получить требуемый зерновой состав. Для разделения по крупности частиц мельче
40 мкм, а иногда и более крупных, применяют гидравлическую классификацию, в результате которой получают микропорошки. В зависимости от крупности частиц абразивные материалы делят на группы и номера (табл. 4.6).
Зернистость таких групп, как шлифзерно и шлифпорошки, обозначают
0,1 размера стороны ячейки сита в свете в микрометрах, на котором задерживаются зерна основной фракции.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

23

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.3. Зернистость порошков абразивных материалов и их обозначение
Таблица 4.6
Группы, номера зависимости, способы классификации
и размеры основной фракции абразивных материалов, кроме алмазов
Размер стороны ячейки сита в свету,
Размер зерен
Группа
Способ
при котором зерна основной фракции
основной
Зернистость
зернистости
классификации проходят через задерживаются
фракции, мкм
сито, мкм
на сите, мкм
Шлифзерно
200
2500
2000
250–200
160
2000
1600
200–160
125
1600
1250
160–125
100
1250
1000
125–100
80
1000
800
100–80
63
800
630
80–63
Рассев
50
630
500
63–50
40
500
400
50–40
32
400
315
40–32
25
315
250
32–25
20
250
200
25–20
16
200
160
20–16
Шлифпоро12
160
125
16–12
шки
10
125
100
12–10
8
100
80
10–8
Рассев
6
80
63
8–6
5
63
50
6–5
4
50
40
5–4
Микро-шлифМ63
63–50
порошки
М50
50–40
ГидрокласМ40
40–28
М28
сификация
28–20
М20
20–14
М14
14–10
Тонкие микроМ10
10–7
шлиф-пороМ7
7–5
шки
М5
5–3
М3

Зернистость микрошлифпорошков обозначают по верхнему пределу
размера зерен основной фракции с добавлением индекса М перед числом.
Каждый номер зернистости характеризуется фракциями: предельной, крупной или предельной плюс крупной, основной, комплексной и мелкой. Комплексная фракция шлифзерна и шлифпорошков состоит из трех фракций:
крупной, основной и смежной; для микрошлифпорошков – из двух фракций:
основной и смежной. Определяющей характеристикой зернистости является
ее основная фракция. Крупность основной фракции определяют размерами
двух смежных сеток (табл. 4.6), через первую из которых все зерна основной
фракции проходят и задерживаются на второй.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

24

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.3. Зернистость порошков абразивных материалов и их обозначение
Таблица 4.7
Обозначение зернистости абразивов
в зависимости от процентного содержания основной фракции
Индекс
В
П
Н
Д

Минимальное процентное содержание основной фракции
для зернистостей
200–8
6–4
М63–М28
М20–М14
М10–М5


60
60
55
55
55
50
50
45
45
40
45
40
40
41

43
39
39

В зависимости от процентного содержания основной фракции обозначение зернистости дополняют буквенным индексом в соответствии с табл. 4.7.
Зернистость алмазных шлифпорошков определяют по основной фракции, преобладающей по массе, и обозначают дробью, числитель которой соответствует размеру стороны ячейки верхнего сита, знаменатель – размеру
стороны ячейки нижнего сита. Зернистость соответствует значениям, указанным в табл. 4.8.
Зернистость алмазных микропорошков и субмикропорошков определяют размерами зерен также основной фракции и обозначают дробью, числитель которой соответствует наибольшему, а знаменатель – наименьшему
размеру зерен основной фракции (табл. 4.8).
Марка алмазных порошков содержит буквенное и цифровое обозначение.
В зависимости от вида сырья алмазные шлифпорошки обозначают буквенными индексами:
А – изготовлены из природных алмазов;
АС – изготовлены из синтетических алмазов;
АР – изготовлены из синтетических поликристаллических алмазов.
Буквенное обозначение шлифпорошков из синтетических поликристаллических алмазов содержит дополнительный индекс, обозначающий тип
поликристаллического алмаза: В – типа «баллас»; К – типа «карбонадо»; С –
типа «спеки».
За буквенным обозначением следует цифровой индекс, который
выражает:
в шлифпорошках из природных алмазов содержание зерен геометрической формы в десятках процентов;
в шлифпорошках из синтетических и синтетических поликристаллических алмазов среднее арифметическое и сотую часть среднего арифметического значения соответственно показателям прочности на сжатие всех
зернистостей марки, выраженных в ньютонах.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

25

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.3. Зернистость порошков абразивных материалов и их обозначение
Таблица 4.8
Зернистость алмазных порошков
Размер
Размеры стороны ячейки сита,
зерен основпри которой зерна основной фракции
Зернистость
Зернистость
ной фракции,
проходят задерживаются
мкм
через сито
на сите
Широкий диапазон зернистостей
60/28
60–28
2 500/1 600
2 500
1 600
40/20
40–20
1 600/1 000
1 600
1 000
28/14
28–14
1 000/630
1 000
630
20/10
20–10
630/100
630
100
14/7
14–7
ШлифМикро400/250
400
250
10/5
10–5
порошки
порошки
250/160
250
160
7/3
7–3
160/100
160
100
5/2
5–2
100/63
100
63
3/1
3–1
63/40
63
40
3/0
3 и мельче
2/0
2 и мельче
Широкий диапазон зернистости
2 500/2 000
2 500
2 000
60/40
60–40
2 000/1 600
2 000
1 600
40/28
40–28
1 600/1 250
1 600
1250
28/20
28–20
1 250/1 000
1 250
1 000
20/14
20–14
1 000/800
Шлиф1 000
800
Микро14/10
14–10
800/630
порошки
800
630
Порошки
10/7
10–7
630/500
630
500
7/5
7–5
500/400
500
400
5/3
5–3
400/315
400
315
3/2
3–2
315/250
315
250
2/1
2–1
Широкий диапазон зернистости
250/200
250
200
1/0
1 и мельче
200/160
200
160
1/0,5
1–0,5
160
125
160/125
0,7/0,3
0,7–0,3
125
100
125/100
0,5/0,1
0,5–0,1
100/80
100
80
0,5/0
0,5 и <
63
80/63
80
0,3 и <
0,3/0
50
63/50
63
0,1/0
0,1 и <
50/40
50
40

Допускается добавлять к обозначению марки шлифпорошка дополнительный индекс, характеризующий отличительные свойства этой марки,
например, Т – термостойкая, Д – динамически устойчивая, О – овализованная, Н – немагнитная.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

26

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.3. Зернистость порошков абразивных материалов и их обозначение

Алмазные микропорошки и субмикропороики из природных и синтетических алмазов в обозначении имеют дополнительный индекс М. Например, AM – микропорошок из природных алмазов; АСМ – микропорошок или
субмикропорошок из синтетических алмазов. При обозначении микропорошков из природных и синтетических алмазов повышенной абразивной способности индекс М заменяют на индекс Н, например, АН или АСН. К буквенному
обозначению субмикропорошков добавляют цифровой индекс, обозначающий долю зерен крупной фракции в процентах, например, АСН5.
Пример условного обозначения шлифпорошка из синтетических алмазов марки АС6 зернистостью 160/125:
Шлифпорошок АС6 160/125 ГОСТ 9206-80.

4.4. Общая характеристика абразивов
При обработке полупроводников природные абразивные материалы
в чистом виде без дополнительной их переработки не применяются, поэтому
в данном разделе рассматриваются исключительно искусственные абразивы.
Среди искусственных абразивных материалов ведущее место занимает злектрокорунд – кристаллический оксид алюминия, получаемый в результате
плавки химически чистого оксида алюминия (глинозема). При переходе
из расплавленного состояния в твердое оксид алюминия кристаллизуется
в α-корунд – вещество белого цвета. Выпускаемый промышленностью электрокорунд в зависимости от содержания Al2O3 подразделяют на три группы:
электрокорунд белый (98,5–99,5 % Al2O3 ), электрокорунд нормальный
(91–96 % Al2O3 ) и электрокорунд черный (65–75 % Аl2O3).
По химическому и физическому составам белый электрокорунд является наиболее однородным. Зерна этого абразива имеют острые кромки, которые легко внедряются в твердые прочные материалы, меньше выделяют тепла при обработке. Из белого электрокорунда получают шлифзерно, шлифи микропорошки в широком диапазоне крупностей.
Нормальный электрокорунд обладает значительной вязкостью, которая
необходима при выполнении работ с переменными нагрузками.
Промышленность производит также хромистый, титанистый, циркониевый электрокорунд, а также монокорунд и сферокорунд.
Хромистый электрокорунд получают в дуговой печи плавкой глинозема с добавкой окиси хрома (до 2 %). По цвету этот материал напоминает
рубин. Добавка твердого раствора хрома повышает механическую прочность
зерна. Хромистый электрокорунд выпускают в виде шлифзерна и шлифпорошков для производства абразивного инструмента и шлифовальной шкурки.
Титанистый электрокорунд – это абразивный материал, представляющий собой соединения окиси алюминия с окисью титана (Al2O3 + ТiО2). Этот
абразив обладает большой вязкостью.


Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

27

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.4. Общая характеристика абразивов

Циркониевый электрокорунд еще более прочен, чем все перечисленные
разновидности электрокорунда.
Монокорунд получают в электродуговых печах сплавлением боксита
с сернистым железом и восстановителем. В результате плавки получается
блок, состоящий из окиси сульфидного шлака, представляющего собой зерна
корунда, сцементированные сульфидами алюминия, кальция и титана. При
выщелачивании шлака теплой водой зерна освобождаются от сульфидов
алюминия и кальция, материал распадается на мелкие монокристальные частицы, которые подвергаются магнитному, химическому и гравитационному
обогащению, прокалке, после чего классифицируются по крупности рассевом
на ситах. В процессе обработки зерна монокорунда скалываются, что обеспечивает высокие режущие свойства.
Сферокорунд представляет собой полые корундовые сферы из 99%ного А12О3. Этот абразив используют для обработки мягких и вязких материалов: кожи, резины, пластмассы, цветных металлов и др.
Распределение микротвердости для различных марок электрокорунда
представлено в табл. 4.9.
Таблица 4.9
Обозначение электрокорундовых абразивных материалов
и их микротвердость
Абразивный
материал
Нормальный электрокорунд

Белый электрокорунд

Хромистый электрокорунд
Титанистый электрокорунд
Монокорунд

Марка
Старая

Э5
Э4
Э3
Э2


Э9А
Э9
Э8
ЭХА
ЭХБ

ЭТ
М8

М7

Новая
16А
15А
14А
14А
13А
12А
25А
24А
23А
22А
34А
33А
32А
37А
45А
44А
43А

Микротвердость, МПа

190–200

200–210

200–230
220–230
230–240

Так, все чаще стали появляться работы, посвященные динамическому
синтезу ультрадисперсных порошков окислов металлов, таких как алюминий
и цирконий. При динамическом воздействии на вещество реализуются высокие давления, температуры и их градиенты, что позволяет получать порошки
в ударнодисперсном состоянии и стабилизировать высокотемпературные
и нестабильные фазовые модификации. В результате нагружения слоя порис-



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

28

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.4. Общая характеристика абразивов

того металла ударной волной от контактного заряда взрывчатого вещества
металлический порошок нагревается и под воздействием продуктов детонации разлетается и циркулирует в атмосфере взрывной камеры, содержащей
кислород. При разлете, за счет химической реакции, происходит дополнительный разогрев слоя и образование оксидных соединений металлов. В зависимости от режимов взрыва можно получить конкретные физикохимические характеристики изготавливаемых порошков окислов металлов:
средний размер, вид функции распределения частиц по размерам, фазовый
и химический состав и др.
Возможность получения строго фракционированных порошков Al2O3
динамическим синтезом со средним размером частиц от 0,1 мкм до 200 мкм
и узким рассеянием по размерам внутри фракций, а также наличие высокого
процентного содержания α-фазы в порошках способствуют использованию
их для шлифования и полирования поверхности изделий из различных
материалов.
Распространенным абразивным материалом является карбид кремния –
химическое соединение кремния с углеродом, получаемое нагреванием смеси
кварцевого песка с коксом в электрических печах при температуре выше
2 000 °С. Химически чистый карбид кремния – бесцветный, а технический,
в зависимости от количества примесей, приобретает оттенки от светлозеленого до черного. Карбид кремния – хрупкий материал. Хрупкость является следствием свойств его кристаллической структуры и сочетается с высокой твердостью. Для обработки промышленность производит два вида
карбида кремния: зеленый и черный. Они отличаются по химическому составу и физическим свойствам незначительно, однако зеленый карбид кремния
содержит меньше примесей, имеет несколько повышенную хрупкость
и большую абразивную способность.
Обозначение порошков карбида кремния представлено в табл. 4.10.
Таблица 4.10
Обозначение абразивов из карбида кремния
Абразивный материал

Карбид кремния:
Зеленый

Черный

Марка
Старая

К39
К38
К37
К36
К35

Кч8
Кч7
Кч5

Новая
64С
63С
63С
63С
63С

55С
54С
53С


Синтез карбида кремния (SiC) плазмохимическим методом позволяет
получить продукт -модификации со средним размером частиц порядка



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

29

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.4. Общая характеристика абразивов

0,15 мкм. Однако обрабатывающая промышленность этот абразивный матерная не использует даже для полирования вследствие его загрязненности исходными компонентами и продуктами их разложения, а также считая, что
для абразивной обработки поверхности нужны более крупные частицы SiC.
Карбид бора – химическое соединение бора с углеродом. Получают его
восстановлением в электрической печи борного ангидрида (технической
борной кислоты) углеродом (нефтяным коксом). Куски карбида бора представляют собой плотную мелкокристаллическую, частично сплавленную
массу серовато-черного цвета, имеющую раковистый излом. По твердости
этот материал уступает алмазу и эльбору, но он весьма хрупок, особенно
в частицах крупного размера, поэтому его перерабатывают только на шлифи микропорошки.
За последнее время синтетические алмазы и кубический нитрид бора
(BN) все шире внедряются в производство абразивного материала как у нас
в стране, так и за рубежом. Особо высокой твердостью и прочностью отличаются кубические модификации нитрида бора β-BN и углерода (алмаза).
Исходными материалами для производства алмаза и β-BN служат графит
и гексагональный нитрид бора α-BN соответственно. Способ получения синтетических алмазов и β-BN основан на полиморфном превращении гексагональной модификации в кубическую в присутствии катализаторов. Кристаллическая решетка и физико-механические свойства кубического нитрида
бора (КНБ) близки к свойствам алмаза. Постоянная кристаллической решетки и минимальное расстояние между атомами у КНБ (3,6165 и 1,56А)
несколько больше, чем у алмаза (3,5875 и 1,54А), поэтому твердость КНБ
несколько ниже. Однако она превышает твердость всех других известных
веществ, кроме алмаза.
Преимуществом КНБ перед алмазом как инструментальным материалом является его высокая теплостойкость и диффузионная устойчивость. На
КНБ не действуют соляная, серная, азотная, фосфорная, плавиковая кислоты,
«царская водка» и растворы щелочей. Стойкость к окислению при нагревании до температуры 1 400 °С почти вдвое превышает указанный показатель
для алмаза.
Кубический нитрид бора выпускают двух модификаций – эльбор и кубонит. Эльбор производят трех групп зернистости: шлифзерно (Л25 – Л16),
шлифпорошки (Л12 – Л) и микропорошки (ЛМ40 – ЛМ1). Эльбор до зернистости 12 синтезируют в виде монокристаллов, а крупнее 12 – в виде
поликристаллов.
Из кубонита изготавливают шлифпорошки двух марок: обычной прочности КО с размером зерен от 160/125 до 50/40 и повышенной прочности КР
с размером зерен от 250/200 до 50/40, а также микропорошки КМ
с размером зерен от 60/40 до 1/0.
Зерна КО имеют более развитую поверхность и меньшую механиче-



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

30

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.4. Общая характеристика абразивов

скую прочность, чем КР.
Физико-механические и химические свойства синтетических алмазов
те же, что и у природных, только колеблются в более широких пределах.
Кристаллическая решетка алмаза содержит 18 атомов, из которых 8 расположены в вершинах куба, 6 – в центрах его граней и 4 – в центрах 4 из 8
кубов, образованных делением элементарной кубической ячейки 3 взаимно
перпендикулярными плоскостями. Каждый атом в решетке связан общими
электронами с 4 соседними атомами. Силы связи В 4 направлениях образуют
между собой углы, равные 109°28′. Атомы углерода в алмазе обладают чрезвычайно прочными ковалентными связями, которые обеспечивают его уникальные свойства и высокую твердость.
Модуль упругости алмаза также выше всех известных в природе твердых веществ; он в 1,5 раза выше, чем у твердых сплавов, и в 2,5 раза больше,
чем у карбида кремния. Наряду с высокой твердостью и сравнительно большим сопротивлением сжатию алмаз обладает значительной хрупкостью из-за
наличия плоскостей спайности в кристаллах, небольшого сопротивления изгибу и вибрационным нагрузкам. Теплопроводность алмаза на порядок выше
теплопроводности других абразивных материалов, а коэффициент линейного
расширения в 5–10 раз меньше. Алмаз обладает чрезвычайно высокой износостойкостью. Так, износостойкость при трении по закаленной стали у него
в 100–200 раз выше, чем у обычных абразивов, и в 5 000–10 000 раз больше,
чем у твердых сплавов. Как правило, физико-химические свойства алмазов
зависят от температуры. Например, микротвердость алмаза падает. Чистая
поверхность алмаза не смачивается водой, но прилипает к некоторым животным жирам. Так как кристалл алмаза анизотропен, твердость и прочность его
в различных направлениях неодинакова. Алмаз, как и кубический нитрид
бора, весьма устойчив к воздействию различных кислот. При определенных
условиях алмаз может растворяться в расплавах щелочей, натриевой и калиевой селитрах, а также соде. Адгезионная и диффузионная способность алмаза
достаточно высока. Натуральные алмазы светятся в рентгеновских, ультрафиолетовых и катодных лучах.
По сравнению с природными синтетические алмазы могут иметь более
шероховатую поверхность с выступами, углублениями и большим числом
режущих микрокромок на одном зерне. Зерна синтетических алмазов имеют
меньшие углы заострения и меньшие радиусы округления вершин, что обеспечивает более высокую режущую способность их.
Графитизация синтетических алмазов происходит при более низких
температурах, чем у природных, а температура сгорания на воздухе одинакова (800–1000 °С).

Все вышеперечисленные свойства делают алмаз незаменимым абра-



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

31

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.4. Общая характеристика абразивов

зивным материалом для обработки поверхности различных изделий; его
рекомендуется использовать для шлифовки и полировки сверхтвердых
материалов.
В качестве полировочных материалов широко используют окись хрома,
крокус, полирит, аэросил.
Окись хрома (Cr2O3) – порошок зеленого цвета, изготовляется восстановлением бихромата калия серой либо термическим разложением бихромата аммония. Первым способом получают порошок с размером зерен 0,8–1,2
мкм, вторым – 0,3–0,4 мкм. Твердость по минералогической шкале близка
к 9,0. Окись хрома выпускается трех марок: ОХМ-1 (металлургическая),
ОХП-1 (пигментная), ОХЧ-1 (чистовая) с содержанием чистого продукта не
менее 98–99 % и влаги не более 0,15 %. Применяют при полировании деталей из кристаллических материалов с малой твердостью.
Крокус (Fe2O3) – безводная окись железа, тождественная природному
гематиту α-модификации. Получают осаждением солей железа (сульфатного,
углекислого, щавелекислого) из раствора и их последующим прокаливанием
при температуре 973–1073 К. Зерна имеют округлую форму со средним
размером 0,6–1,0 мкм. Твердость по минералогической шкале 5,0–6,0. Полирующая способность крокуса невелика. Используют этот абразив при полировании деталей из стекла.
Полирит – порошок оранжево-коричневого цвета, содержит 97 % окислов редкоземельных металлов (в том числе до 45 % окиси церия). Применяют преимущественно для высококачественной полировки оптических изделий, реже полупроводников. Качество и полирующие свойства полирита
определяются окисью церия. Зерна имеют форму удлиненных пластинок
размером до 5 мкм, которые легко дробятся, образуя остроугольные осколки.
Процесс обработки идет с высокой скоростью на первоначальной стадии,
когда зерна абразива имеют большой размер, достигая высокого качества
поверхности при последующих стадиях обработки, когда зерна полирита
размалываются до размеров, меньших микрона. Твердость полирита по
минералогической шкале 6–7.
Аэросил представляет собой чистый диоксид кремния, рыхлый голубовато-белый порошок. Он выпускается трех марок: А-175, А-300 и А-330,
в которых средний размер частиц соответственно равен от 10 до 40, от 5 до
20, от 5 до 15 нм. Этот абразивный материал наиболее распространен при
полировании полупроводниковых материалов, в частности кремния.
Помимо перечисленных абразивов, для полирования полупроводников
используют окись тория, двуокись циркония. Относительная полирующая
способность абразивных материалов приведена в табл. 4.11.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

32

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.4. Общая характеристика абразивов
Таблица 4.11
Относительная полирующая способность абразивов
Полирующий абразив
Окись хрома
Крокус
Полирит
Окись тория
Двуокись циркония

Относительная полирующая способность
0,5
1,0
1,5
2,2
1,0–2,0

Финишное полирование полупроводников перед эпитаксиальным
наращиванием проводят полировальным порошком «Элплаз», который выпускается трех марок, отличающихся содержанием примесей и скоростью
съема: А, Б и В. Удельный съем при полировании соответственно равен 3, 2,
1 мкм/ч. Крупность частиц не более 0,5 мкм. Марку А применяют для высокоскоростной обработки кремниевых пластин, марку Б – для их обработки на
полировальнике из электростатической замши, марку В – для обработки пластин полупроводниковых соединений типа А3В5 и А2В6.

4.5. Ультрадисперсные алмазные порошки и их свойства
В настоящее время значительно возрос интерес в использовании для
конечной стадии механической обработки материалов (суперфиниша) алмазных порошков в ультрадисперсном состоянии. Поскольку размер зерна таких
порошков в промышленности не аттестован, то по аналогии с другими ультрадисперсными материалами будем считать этот размер не более 0,1 мкм.
Нижний предел размера не ограничен и зависит от способа получения алмаза
и его режимов. Интерес к ультрадисперсным порошкам обусловлен тем, что
их физические и физико-химические свойства могут существенно отличаться
от свойств вещества в обычном состоянии, приобретая уникальные механические, электрические, магнитные, оптические и другие свойства. Кроме
того, исключительное сочетание свойств алмаза позволяет предположить
высокую перспективность в использовании ультрадисперсных алмазов для
развития новых методов обработки широкого спектра материалов.
Впервые основные принципы синтеза алмаза при сверхвысоких температурах были опубликованы в 1939 г. О. И. Лейпунским. Эти принципы
освоены на практике, но не позволяют обеспечить достаточно широкое использование особых свойств алмаза, поэтому поиску новых методов промышленного синтеза алмазного порошка стало уделяться большое внимание
во всем мире.
Работы по синтезу алмазов с использованием энергии взрыва появились в 1960-х годах. В работах Де Карли ромбоэдрический графит подвергался ударно-волновому нагружению при 300 кбар. Взрывчатое вещество



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

33

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.5. Ультрадисперсные алмазные порошки и их свойства

(ВВ) использовалось для создания высоких давлений и температур. Синтезированные ударной волной алмазы имели поликристаллическую структуру,
напоминающую карбонадополикристаллический природный алмаз. Поликристаллы размером от 1–8 до 60 мкм состояли из частиц со средним размером 100 ангстрем. Эти алмазы нашли применение как отличный материал для
промышленной полировки сапфира, керамики, ферритов из-за наличия
большого количества режущих кромок. Промышленное освоение метода
синтеза ультрадисперсных алмазов шло по пути подбора оптимальных ВВ
и их смесей, т. е. среды, в которой осуществлялся взрыв, конструкции взрывной камеры, расположения ВВ во взрывной камере, их плотности и многих
других технологических факторов, влияющих на процентное содержание
алмазной фазы в конденсированных продуктах (шихте).
Один из промышленных способов, реализующих синтез ультрадисперсных алмазов детонационным способом, схематично представлен
на рис. 4.4.
На схеме изображена взрывная камера в двух позициях: I – при подготовке камеры, II – в рабочем состоянии камеры. Камера в простейшем
случае состоит из корпуса 1, нижней 2 и верхней 3 крышек. Нижняя крышка открывается с помощью гидравлики 4, а снизу корпуса имеются вводы
для подачи в камеру рабочего газа. Камера может двигаться из позиции I
в II и наоборот.
Взрывное устройство 5 состоит из круглых или цилиндрических упаковок (ВВ) формулы Са Hb Nc 0d или их смеси и электродетонаторов, инициирующих взрыв после подачи электрического импульса. ВВ располагают
в центре камеры, когда последняя находится в позиции 1, и закрепляют шпагатом или медной проволокой. Камера заполняется контролируемой атмосферой, т. е. газами, обладающими защитными свойствами и высокой теплопроводностью. В качестве рабочих газов используют озон, инертные газы,
двуокись углерода.
ΙΙ

Ι

В атмосферу
3

5

1
СО2

2

6

4

Рис. 4.4. Схема камеры синтеза алмаза



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

34

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.5. Ультрадисперсные алмазные порошки и их свойства

Взрывчатое вещество типа Са Hb Nc Оd является источником углерода
для конденсированной фазы. После взрыва продукты конденсации осаждаются в нижнюю часть камеры в виде сухого осадка, состоящего из алмаза
(20–40 %), графита (50–60 %) и металлов, предcтавляющих собой дисперсные продукты взрыва материалов детонаторов (8–12 % ). Образовавшийся
ультрадисперсный алмаз (УДА) – алмазная фаза продуктов конденсации
(шихты) находится в рентгеноаморфном и кристаллическом состояниях. Содержание углерода в конденсированной фазе достигает 10 % от веса заряда
ВВ и зависит как от исходного состава ВВ, так и условий протекания взрыва.
Максимальный выход алмазов наблюдается для смеси тротила (Т) и гексогена (Г) в литых зарядах при ТГ50/40, а в прессованных – при плотности 1,6 г
/см3 у ТГ40/60. Соотношение алмаза и графита в конденсированной фазе при
этом может достигать 1:1 (50:50 %). Газовый состав продуктов взрыва очень
разнообразен, но, как показывает анализ, наибольшее содержание имеют азот
и двуокись углерода. В продуктах взрыва присутствует большое количество
воды. Вода и газы, адсорбируясь на поверхности алмаза, существенно влияют на его свойства.
После подрыва ВВ в камере, находящейся в позиции II, ее переводят в
позицию I. Газообразные продукты удаляют в атмосферу, камеру открывают,
конденсированные продукты (шихту) собирают в поддон 6, просеивают через
сито с размером ячейки 0,5×0,5 мм для удаления крупных остатков подвесок
и детонаторов, иногда проводят магнитную очистку.
Химическое выделение образовавшихся алмазов предполагает окисление графита сильными окислителями. Жидкофазные окислители имеют преимущество перед газовыми вследствие практически полного сохранения
алмазов при высокой степени очистки от неалмазного углерода, высокой
скорости процесса при сравнительно низких температурах (150–300 °С).
Реакционные суспензии шихты в жидких окислительных смесях однородны,
стабильны, дисперсны и маловязки. В ходе реакции обеспечивается свободный доступ окислителя к частицам твердой фазы и практически снимается
диффузионное ограничение на скорость процесса. Используемые окислительные среды представлены в табл. 4.12.
В качестве примера можно привести реакцию окисления графита азотной кислотой:
 200 C

C(графит) + 2HNO3  H 2O + NO + NO2  CO2 

(4.4)

Использование окислительной смеси хромого ангидрида (СrОз) в концентрированной серной кислоте (H2SO4) позволяет проводить обогащение
при более низких, чем 200 °С, температурах и за сравнительно короткое время (30–40 мин вместо 100–200 мин):
150 - 190 C

3C(графит) + 4CrO3 + 6H 2SO 4 
 3CO 2- + 6H 2O + 2Cr 2 (SO 4 )3 (4.5)



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

35

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.5. Ультрадисперсные алмазные порошки и их свойства
Таблица 4.12
Составы окислителей
для химического обогащения ультрадисперсных алмазов
N
п/п

Состав окислительной среды
при обогащении
HNO3
HNO3 +
H2SO4
HClO4
HClO4 +
HNO3
HClO4 +
H2SO4
H2Cr2O7 +
KMO4
CrO3 +
H2SO4

1
2
3
4
5
6
7

Концентрация
компонентов, %
98
98
98
56
56
98
56
98
98
хч
50
98

Массовое
содержание, %
100
15
85
100
90
10
86
14
90
10
40
60

Однако в случае перегрева окислительной смеси в ходе реакции образуется окись 3-валентного хрома, нерастворимая ни в кислотах, ни в щелочах. Все соединения хрома токсичны.
Воздействие окислительных сред (кислотных и щелочных) на алмаз
(табл. 4.13) в течение длительного времени и при повышенных температурах
не приводило к значительным потерям массы алмазного образца.
Таблица 4.13
Химическая стабильность ультрадисперсных алмазов
к действию жидкофазных окислителей
Окислительный
состав
HNO3+H2SO4
--CrO3+H2SO4
H2O2+KOH
H2NO3+HF

Температура, °С

Время воздействия, ч

180–200
15
250–300
120
100
20

200
200
10
12
20
100

Окислительные
потери УДА, %
7
4
3–5
3
3
1

В процессе обогащения алмаза окислительные среды удаляют с его поверхности графитизированный слой и за счет воздействия на адсорбированные газы и органические радикалы активируют алмаз. Следствием указанных
процессов является интенсивная грануляция УДА.
При детонационном превращении конденсированных углеродосодержащих ВВ синтезируются при определенных условиях алмазы кубической
модификации с диапазоном размеров d = 20–120 Å. Параметр их решетки равен 0,356 ± 0,0 003 нм (для природного алмаза этот параметр равен 0,3567 нм).
Методом малоуглового рассеяния рентгеновского излучения установ-



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

36

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.5. Ультрадисперсные алмазные порошки и их свойства

лено распределение частиц алмаза по размерам. Оно является логарифмически нормальным, с максимумом при размере 30–40 Å, что подтверждает
анализ физического уширения рентгеновских дифракционных линий. Изучение физики ультрадисперсных частиц, у которых число поверхностных
атомов соизмеримо с числом объемных, показало, что такие частицы термодинамически неустойчивы и объединяются (агрегатируют) в более крупные
частицы. Терминология при описании ультрадисперсных частиц еще не
установилась. Иногда образования размером от двух до нескольких сотен
атомов называют кластерами, т. е. это более крупные частицы. Частицы размером более 1 мм называют гранулами. В некоторых публикациях, наоборот,
под кластером понимают разветвленные структуры, построенные из большого количества частиц. Порой подобные кластеры, особенно если у них изрезанный контур или сложная шероховатая поверхность, называют фрактальными кластерами, или фракталами. Таким образом, при описании формы
частицы, или кластера, со сложной поверхностью пользуются термином
фрактал. При неустановившейся терминологии целесообразнее все структурные образования кластеров и частиц предварительно описывать и соответствующим образом называть.
Синтезируемые кристаллы ультрадисперсного алмаза имеют плотность
3,1 г/см3, удельную площадь поверхности 300–390 м2/г, объем пор 0,3–1,0 см3/г.
Значение микронапряжений составляет 10,0 ГПа. Вследствие термодинамической неустойчивости ультрадисперсных частиц алмаза в процессе улавливания и химической очистки образуются частицы более крупных размеров.
Исследования показали, что в соответствии с принципом свободной энергии
сформировавшиеся частицы УДА имеют округлую форму, объединяясь
во вторичные структуры размером до 0,5 мкм (в коллоидных растворах) и до
10 мкм (в порошке). Эти вторичные структуры имеют кластерную природу,
т. е. образования большого количества частиц с разветвленной поверхностью. При нагревании в инертной атмосфере кластерные алмазы объединяются в сфероиды размером до 200 мкм, разрушаемые при механическом воздействии 10–15 кг/мм2. Эти процессы связывают с наличием избыточной
поверхностной энергии. В зависимости от режимов синтеза и очистки энергия связи ультрадисперсных частиц в структурных образованиях меняется
в очень широких пределах. Поэтому после соответствующих методов дезагрегации в алмазном порошке можно встретить частицы размером до
нескольких микрон.
К существенному недостатку всех химических методов обогащения
относится необходимость промывки УДА с последующей его сушкой.
В процессе промывки теряется не менее 1–5 % порошка. Кроме того, использование воды и сушки меняет дисперсность УДА в сторону увеличения размера частиц. После сушки требуется размол порошка и его ситовый просев.
Этих недостатков лишены физические методы обогащения, основанные на использовании отжига в различных газовых средах. Отжиг осуще-



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

37

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.5. Ультрадисперсные алмазные порошки и их свойства

ствляют в специальных установках, позволяющих нагревать шихту до
T = 300–500 °С в закрытом объеме, через который продувают газ с необходимой скоростью. Шихта хорошо отжигается в кислороде, но его использование приводит к неконтролируемому взрывообразному реагированию шихты с ним. Поэтому используют реакционную смесь с содержанием 10 %
кислорода и 90 % аргона. Однако наряду с окислением графита при использовании данного метода окисляется и алмаз. Избежать потерь алмаза при отжиге, вероятно, возможно за счет совершенствования методов. Например,
воздействие положительно заряженных ионов аргона в вакууме 10 мм рт. ст.
в присутствии кислорода позволяет значительно снизить эти потери.
Исследования свойств шихты и ультрадисперсных алмазов – задача
сложная и достаточно трудоемкая, поэтому для детонационного УДА применительно к конкретному способу обогащения и очистки от примесей разрабатываются технические условия для готового продукта. В качестве примера
можно привести значения показателей основных свойств УДА, подлежащих
аттестации по ТУ 3974-001-10172699–94 (табл. 4.14). Обогащение производилось термическим окислением неалмазного углерода кипячением в хлористо-водородной кислоте.
В порошках возможно присутствие посторонних примесей: Mg, Na, Са
в виде следов: Fe2O3 от 0 до 0,4 %; AI2O3 от 0 до и 0,01 %; TiO2 до 0,03 %.
Установлено также наличие поверхностных атомов углерода с нескомпенсированными связями до 2 % от их общего числа и аморфной фазы алмаза до
80 % по объему, что обуславливает высокую реакционную способность УДА.
Свойства УДА можно целенаправленно изменять, воздействуя на его
поверхность различными легирующими добавками на любой стадии получения. Так, легирование алмазных порошков боросодержащими добавками
в процессе обогащения позволило снизить их окисление в кислороде воздуха,
повысить агрегативную устойчивость гидрозолей на их основе, улучшить диспергирующие свойства УДА по сравнению с нелегированными порошками.
Таблица 4.14
Свойства ультрадисперсного алмаза по ТУ 3974-001-10172699-94
Характеристика
Внешний вид
Массовая доля влаги, %не более
Степень измельчение:
остаток на сетке 0,1, % не более
Насыпная плотность, г/см3
Массовая доля несгораемых примесей, % не более
Массовая доля неалмазных форм углерода, % не
более
Массовая доля алмаза в твердой фазе, % не более

Показатель
Порошок серого цвета
5
1
0,3–0,5
5
3
92

Проанализировав все перечисленные в этом разделе свойства УДА
детонационного синтеза, можно сделать следующие выводы:



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

38

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.5. Ультрадисперсные алмазные порошки и их свойства

1. При уменьшении твердого тела, начиная с размеров ~0,1 мкм, резко
изменяются его физические и химические свойства.
2. Изменение свойств УДА влечет за собой его высокую активность
(реакционную способность), которая обуславливается с рядом причин:
увеличением доли поверхностных атомов до величин более 1 %;
повышением по сравнению с массивным веществом содержания
поверхностных соединений, изменением состава и/или структуры этих
соединений;
адсорбцией поверхностью значительного количества газов и других
примесей из окружающей среды с образованием «шубы» вокруг каждой
частицы порошка;
изменением параметров решетки;
появлением внутренних напряжений:
запасанием избыточной энергии.
3. Малый размер и высокая реакционная способность УДА свидетельствуют о наличии специфических особенностей этого вещества по сравнению с известными типами природных и синтетических алмазов.
Прикладной интерес к УДА обусловлен именно его особыми физикохимическими свойствами.

4.6. Взаимодействие единичного алмазного зерна
с обрабатываемой поверхностью
Работоспособность и износостойкость алмазного зерна в процессе его
воздействия на обрабатываемый материал определяются физико-механическими свойствами обрабатываемой поверхности и абразивного материала,
а также геометрическими параметрами зерна и кинематическими, термодинамическими условиями, в которых происходит его работа.
Установлено, что при повышении прочности при одноосном сжатии
алмазных зерен возрастают производительность, износостойкость инструмента, снижаются сила резания и тепловыделение. Форма алмазных зерен
определяет их пространственное расположение по отношению к слою снимаемого при обработке материала, величину режущих углов и форму рабочей части режущей вершины зерна, находящейся в контакте с обрабатываемым материалом. Так как форма алмазного зерна считается с математической
точки зрения неопределенной (отсутствует математическая связь между длиной, шириной и высотой зерна), форму алмазных зерен характеризуют коэффициентом формы, определяемым отношением длины к ширине зерна, или
обратной величиной, называемой коэффициентом изометричности. Однако
не следует связывать те или иные преимущества абразивного материала
только с формой и геометрией их зерен. Так, при коэффициенте изометрич-



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

39

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.6. Взаимодействие единичного алмазного зерна с обрабатываемой поверхностью

ности зерна, равном единице, его прочность максимальна и, значит, должна
быть максимальной работоспособность инструмента на его основе. Однако
в этом случае необходимо для правильной оценки работоспособности учитывать кинематические и динамические условия обработки.
Также нельзя при выборе абразивного материала отдельно рассматривать геометрические параметры его зерен, несмотря на кажущуюся очевидность выводов. Покажем это. Абразивное зерно представляет собой многогранник неправильной геометрической формы, все вершины и ребра которого имеют закругления (рис. 4.5). Радиус закругления ρ и угол заострения
в характеризуют степень остроты зерна и во многом влияют на характер
взаимодействия зерна с обрабатываемым материалом. Степень остроты зерен
разного абразива неодинакова (табл. 4.15). Наибольшую степень остроты
имеют зерна сверхтвердых материалов. Зерна электрокорунда и карбида
кремния характеризуются значительно бóльшими радиусами вершин и мéньшим количеством острых углов. Характер взаимодействия зерна с обрабатываемым материалом зависит от отношения h/ρ, где h – глубина внедрения
зерна в материал. Установлено, например, для металла, что при h/ρ > 0,3–0,5
происходит резание с образованием микростружки; при 0,3 > h/ρ > 0,02 осуществляется пластическое выдавливание металла по краям царапины без
стружкообразования; при h/ρ < 0,002 металл деформируется только упруго
с последующим восстановлением и каких-либо заметных следов воздействия
зерна на материал в этом случае не наблюдается. Указанные выше отношения h/ρ приведены для закаленной стали. У других материалов величины
этих отношений для различных взаимодействий могут изменяться.

Рис. 4.5. Форма абразивного зерна



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовойработе

40

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.6. Взаимодействие единичного алмазного зерна с обрабатываемой поверхностью
Таблица 4.15
Степень остроты зерен различных абразивных материалов
Характеристика
остроты зерна

Алмаз

Эльбор

Электрокорунд
Зернистость
160/125 60/53
25

250/200

60/53

Средний радиус
закругления
вершины , мм

7,8

2,6

9,5

4,6

Предельное значение радиусов
закругления, мкм

2,5–25

0,4–8,0

1–36

Количество углов в зерне,
меньших 90, %

61

74

54

Карбид кремния
16

25

16

21

14,5

17,5

12

0,4–23

6–81

2,8–56

4–83

2,8–83

68

20

23

18

28

Острота зерен является показателем, достаточным при выборе абразивного материала по производительности лишь для обычных абразивов. Преимуществ алмазных зерен над обычными абразивными этим показателем уже
не объяснить. При обработке широкого класса неметаллических хрупких материалов: керамики, стекла, металлов, полупроводников и т. д., алмазное
зерно может образовывать царапину (канавку) и диспергировать материал
в его объеме почти любой частью зерна, а не только острым выступом.
Обычное абразивное зерно этого сделать не может, так как не имеет необходимой твердости и прочности для резания, царапания твердых, но хрупких
материалов. Таким образом, остается невыясненным, какое зерно является
наиболее работоспособным: с острыми выступами, снимающими стружку;
или с тупыми, образующими канавку; с меньшей вероятностью снятия
стружки, но более стойкое и способное совершать работу по удалению обрабатываемого материала. Однако экспериментально установлено, что у закрепленного зерна изнашивается выступающая часть, а у свободного – вся
поверхность в процессе его вращательного перекатывания. Если этого не наблюдается, то, значит, созданы для свободного абразива такие условия, которые исключают перекатывание его зерен.
Итак, процесс воздействия отдельного закрепленного алмазного зерна
на поверхность обрабатываемого материала представляет собой резаниецарапание и зависит от многих факторов. При воздействии на материал
с пластичными свойствами, например, металлы, происходит резание с отделением продуктов разрушения в виде стружки. При воздействии на хрупкие
материалы, например, полупроводники, преобладает процесс микроцарапания с отделением продуктов разрушения в виде мельчайших частиц – осколков. Однако резкой границы в проявлении указанных процессов нет.
Микрорезание происходит при движении внедренных вершин зерна
в граничный слой обрабатываемого материала, поэтому наиболее стабильным силовым показателем этого процесса является отношение Рz /Ру, где Pz –


Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

41

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.6. Взаимодействие единичного алмазного зерна с обрабатываемой поверхностью

сила, действующая вдоль обрабатываемой поверхности и зависящая от скорости движения зерна относительно поверхности; Ру – нагрузка на зерно,
действующая перпендикулярно поверхности обработки. При малом значении
Ру, когда выполняется условии Pz = kPy (k – коэффициент трения контактируемых поверхностей), возможно только скольжение зерна по поверхности
материала. При возрастании силы Ру поверхностный слой под зерном вначале
упруго и пластически деформируется и только затем начинается процесс
снятия стружки.
Отношение Pz/Py имеет максимальное значение при микрорезании
мягких и вязких металлов и минимальное – при микрорезании твердых
и хрупких материалов. С учетом этих явлений выбирают кинематические
и динамические характеристики процесса шлифования и полирования
полупроводников.
При взаимодействии алмазных зерен с обрабатываемым материалом
происходит их износ. Это явление не всегда снижает режущую способность
зерна. Наоборот, в шлифовальных кругах в процессе износа происходит образование в зернах микросколов и режущая способность возрастает (самозатачивание режущей поверхности алмазного зерна). Характер износа природных и синтетических алмазов неодинаков. Износ природных алмазных зерен
происходит в результате сколов и истирания с образованием площадок износа. Образовавшиеся гладкие грани, имея большую площадь соприкосновения
с обрабатываемой поверхностью, при равных условиях, за счет увеличения
силы трения, будут способствовать при повышении нагрузки процессу расшатывания зерна в связке и его выкрашиванию из связки.
Износ зерен синтетических алмазов заключается в микровыкрашивании мельчайших частиц с удержанием в связке почти до полного износа.
Такое выкрашивание способствует образованию новых режущих кромок
и обеспечивает самозатачивание.
В зависимости от обрабатываемого материала и условий обработки алмаз в процессе резания может подвергаться различным по природе видам износа: адгезионному, абразивному, диффузионному, химическому, окислительному и др. При этом в некоторых случаях один из видов износа является
преобладающим, а в других случаях суммарный износ определяется совокупным действием нескольких видов износа. Характер износа определяется
наблюдением за микропрофилем изношенных поверхностей алмазного зерна
с помощью микроскопа. При адгезионом износе поверхность имеет бугристое строение, при абразивном – на поверхности наблюдаются направленные
риски. Для диффузионного и окислительного видов износа характерна гладкая, отполированная поверхность участка износа зерна. Химический износ
сопровождается выделением на краях площадки износа черного осадка,
представляющего собой графит.
При обработке стекла, кварца происходит лишь химический износ
некоторого поверхностного слоя алмаза. При обработке пластичных материалов (сталей) преобладает адгезионный вид износа. Конкретных сведений
о видах износа алмазных зерен при обработке неметаллических материалов
нет.


Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

42

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.7. Шлифование полупроводниковых подложек
4.7.1. Классификация методов шлифования
Основным назначением шлифования пластин является исправление
погрешностей их геометрической формы после резки, частичное удаление
нарушенного в процессе резки приповерхностного слоя и получение требуемого класса чистоты. Шлифование полупроводниковых материалов классифицируют по следующим параметрам:
 состоянию используемого абразива: свободное и связанным (полусвязанным) абразивом;
 характеру обработки и конструкции используемого оборудования:
одностороннее и двухстороннее;
 качеству обработанной поверхности: предварительное и окончательное;
 способу базирования пластин: с креплением пластин на оправку
(наклейка, посадка на оптический контакт, вакуумный прижим) и свободным
положением пластин в кассетах и сепараторах.
Операции шлифования выполняются с использованием абразива связанного или свободного.
При обработке связанным абразивом зерна шлифпорошка закреплены
в материале шлифовального круга и основным типом возникающих усилий
является срез. Закрепленное зерно абразива при вдавливании в поверхность
пластины полупроводника образует царапину на поверхности и трещину
в глубине материала. При царапании зерно движется толчками и царапины
формируют произвольную сетку. Пересечение множества царапин и трещин
дает эффект удаления частиц обрабатываемого материала. В качестве шлифовальных кругов могут использоваться как твердые (сталь, никель, бериллиевая
бронза и другие металлы), так и мягкие (различные смолы, каучукосодержащие связки и другие эластичные основания) материалы, наполненные по объему равномерно или содержащие небольшой слой абразива. В качестве абразива применяют электрокорунд нормальный белый, хромистый, титанистый,
циркониевый; монокорунд, сферокорунд; карбид кремния зеленый (черный);
алмаз и др. При обработке полупроводниковых пластик предпочтение отдается шлифовальникам, поверхностный слой которых на глубину 3–4 мм
насыщен алмазным зерном величиной от 120 до 5 мкм.
При использовании мягких и пластичных основ шлифовальных кругов
тип возникающих усилий смешанный: возникают и ударные, и срезающие
нагрузки. Поэтому обработку на связках такого рода называют обработкой
полусвязанным абразивом.
Несмотря на высокую производительность процесса шлифования свя-



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

43

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.7. Шлифование полупроводниковых подложек

занным абразивом при обработке кремниевых пластин наибольшее распространение получило шлифование свободным абразивом. Это объясняется
тем, что обработка свободным абразивом приводит к меньшей глубине
нарушенного слоя, так как свободная частица передает меньшую энергию
поверхности, чем связанная, создавая видимость меньшего диаметра абразивного зерна.
4.7.2. Шлифование свободным абразивом
Механизм шлифования свободным абразивом заключается в следующем (рис. 4.6). При перемещении шлифовального круга 1 относительно
пластины наиболее крупные зерна 2 абразива ударяют по ее поверхности,
создавая конические трещины 3. Вначале в процессе участвуют 7–10 % массы зерен, остальные зерна неподвижны. Постепенно все зерна вовлекаются
в работу, перемещаясь и поворачиваясь в пространстве между кругом и пластиной. За счет вращения зерен разных размеров действие шлифовального
круга имеет ударно-вибрационный характер.

1

2

3

4

5

Рис.4.6. Модель шлифования свободным абразивом:
1 – шлифовальный круг; 2 – зерна абразива; 3 – конические трещины;
4 – выколки; 5 – суспензия

Шлифование происходит в основном вследствие образования ударных
трещин. При пересечении конических ударных трещин образуются выколки
4, которые отрываются от поверхности пластины и удаляются вместе с отработанной абразивной суспензией 5. Поэтому шлифованная свободным абразивом поверхность полупроводникового материала имеет вид хаотически
расположенных впадин и выступов. На ней отсутствуют риски, если абразивный материал был предварительно классифицирован, в отличие от покры-



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

44

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.7. Шлифование полупроводниковых подложек

той сеткой рисок шлифованной инструментом со связанным абразивом
поверхности.
Глубина рельефного и трещиноватого нарушенных слоев (рис. 4.7) зависит от твердости и размера абразивных зерен. Существуют эмпирические
зависимости, согласно которым d1 = k1 · D, d2 = k2 ··D, где D – средний статистический диаметр зерна абразива. Значения коэффициентов k1 и k2 зависят
от условий обработки даже для одного типа абразива. В среднем для кремния
их значения находятся в пределах 0,5 – 1,5. Обычно выполняется и другое
эмпирическое соотношение d2 = 4 · d1. На рис. 4.8 показана зависимость суммарной глубины нарушенного слоя от размера зерен абразива для германия
и кремния.

Рис. 4.7. Структура нарушенного слоя: d1 – рельефный слой;
d2 – трещиноватый слой; d3 – напряженный слой

Рис. 4.8. Зависимость толщины нарушенного слоя d от размера зерен абразива
D: 1, 2, 3 – германий; 4, 5, 6 – кремний; 1, 4 – плоскость (100); 2, 5 – плоскость (111);
3, 6 – плоскость (110)

Шлифование можно вести сухим абразивом, но в технологии, как правило, применяют абразивные суспензии или пасты. Пасты по консистенции
значительно гуще суспензий, производительность их выше, расход меньше.
Однако с помощью суспензий легче удалять продукты обработки, отводить
тепло, они более текучи. Роль дисперсионной жидкости сводится к эффекту



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

45

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.7. Шлифование полупроводниковых подложек

Ребиндера, который заключается в затекании жидкости в микротрещины
и расклинивании последних.
Для шлифования полупроводников используются твердые плоские
диски из чугуна, стали, меди, латуни или стекла и абразивные микропорошки
с крупностью зерна от 28 до 3 мкм различных марок. В промышленности
чаще всего используется следующий порядок шлифования (рис. 4.9).
В зависимости от используемого оборудования можно обрабатывать
пластины с одной стороны и с двух.
При одностороннем шлифовании (рис. 4.10) пластины 4 с помощью
специальных клеящих веществ укрепляют на оправке-планшайбе 3. Пластины находятся в контакте с поверхностью шлифовального диска 5, на который
непрерывно подается абразивная суспензия из дозатора 1. При вращении
диска планшайбы с пластинами также вращаются вокруг своих осей
в направляющих рамках 6 и пластины описывают сложные траектории по
поверхности шлифовального круга.

Рис. 4.9. Типовая схема шлифования полупроводников
свободным абразивом



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

46

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.7. Шлифование полупроводниковых подложек

Рис. 4.10. Схема одностороннего шлифования свободным абразивом:
1 – дозатор абразивной суспензии; 2 – калиброванные грузы; 3 – оправка-планшайба;
4 – полупроводниковые пластины; 5 – шлифовальный диск; 6 – держатель

Рис.4.11. Схема двухстороннего шлифования свободным абразивом: 1 – верхний
шлифовальник; 2 – отверстие для поступления абразивной суспензии в зону обработки;
3 – дозатор подачи суспензии; 4 – прослойка абразивной суспензии; 5 – зубчатое кольцосепаратор; 6 – периферийное зубчатое колесо; 7 – нижний шлифовальник; 8 – центральная
шестерня; 9 – пластина из кремния



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

47

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.7. Шлифование полупроводниковых подложек

При двухстороннем шлифовании (рис. 4.11) подаваемая на верхний
шлифовальник 1 суспензия через отверстия 2 равномерно окружает все пластины 9, образуя прослойку 4 между нижним 7 и верхним 1 шлифовальниками и обрабатываемыми поверхностями.
На нижний шлифовальник устанавливают зубчатые кольца – сепараторы 5, 6, которые должны иметь определенный допуск по толщине, а толщина
должна быть несколько меньше требуемой после шлифования толщины пластин. Обрабатываемые пластины укладывают в отверстия сепараторов. При
вращении верхний шлифовальник свободно устанавливают на поверхности
пластин. Движение шлифовальника передается сепараторам. Чем сложнее
в обеих схемах перемещение пластин, тем достигается большая равномерность и лучшее качество их обработки.
Особенностью шлифования свободным абразивом, схемы которого
приведены на рис. 4.10 и рис. 4.11, является то, что обрабатываемые пластины совершают сложную траекторию движения.
4.7.3. Оборудование и технологические приемы
при шлифовании свободным абразивом
При шлифовании используют три способа крепления пластин на планшайбе (шлифовальной головке). Основными требованиями к креплению является строгая параллельность базовой поверхности пластин поверхности
планшайбы, а также надежность крепления.
Приклеивание пластин к планшайбе заключается в последовательном
нанесении на нагретую планшайбу клеящего вещества, прижатии к ней полупроводниковых пластин и охлаждения блока с пластинами. Используемое
клеящее вещество не должно размягчаться под действием тепла, выделяемого при обработке. Прочность наносимого слоя должна быть достаточной,
чтобы противостоять воздействию сил реакции. Коэффициент линейного
расширения клеящего вещества должен быть максимально приближен к коэффициентам линейного расширения полупроводниковых пластин и материала планшайбы. В расплавленном состоянии клеящее вещество должно
обладать текучестью, обеспечивающей минимальную толщину слоя в твердом состоянии. Оно должно хорошо растворяться в воде или органических
растворителях, но не в дисперсионной среде абразивных суспензий или паст.
Этим требованиям удовлетворяют нитроэмаль НЦ-25, воско-канифольные
мастики (20 % воска и 80 %. канифоли). Широко применяется мастика следующего состава:
канифоль сосновая марки А (ГОСТ 19113–84) – 500 г;
масло трансформаторное ТК (ГОСТ 982–80) или Т-1500 (ТУ 38.101890-81) – 60 мл;
спирт изопропиловый (ТУ а6-09-402–87) – 1300 мл.
При приготовлении мастики в емкость с 500 г канифоли вливают 80 мл
масла и разогревают до расплавления канифоли. Расплав тщательно переме

Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

48

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.7. Шлифование полупроводниковых подложек

шивают до однородной массы и остужают до +40 °С. Затем вливают изопропиловый спирт и, фильтруя через два слоя капроновой ткани, разливают
в потребительскую тару. Срок хранения мастики не более 5 суток.
Перед нанесением клеящего слоя с планшайб тщательно смывают
абразивную суспензию водой с использованием моющих средств и обезжиривают тампоном, смоченным в бензине или спирте. После этого лекальной
линейкой на просвет проверяют плоскость базовой поверхности планшайбы.
Если износ планшайб превышает допустимое значение, осуществляют их
правку свободным абразивом. Планшайбу размечают карандашом на секторы
по количеству размещаемых на них пластин. Чем плотнее будут упакованы
пластины на планшайбе, тем меньшее количество сколов будет по краям пластины. Затем планшайбу нагревают до температуры, несколько превышающей температуру размягчения клеящего вещества, и наносят его на боковую
поверхность через двойной слой ткани (марли, капрона и др.). Нанесенный
слой должен быть сплошным, без разрывов и достаточно равномерным. На
слое располагают пластины, отступая от края планшайбы не менее 2 мм. Разброс по толщине каждой пластины не должен превышать 5–10 мкм, в противном случае они обрабатываются с недопустимой непараллельностью сторон. Пластины, укладываемые на одну планшайбу, не должны различаться
более чем на 2,5 мкм. Соприкосновение пластин не допускается. Прижатие
пластин лучше осуществлять через систему чередующихся мягких и жестких
прокладок (2 слоя фильтровальной бумаги и пенополиуретана), что обеспечивает равномерное распределение нагрузки по поверхности пластин, создавая под ней клеящий слой одинаковой толщины. Отсутствие клеящего вещества под кромкой пластины приводит к образованию сколов, а пустоты под
центральной частью – к появлению других деформаций в процессе шлифования и погрешностям геометрической формы. Прижимное усилие составляет
4·105Па, т. е. 4 кГс/см2 и сохраняется до охлаждения планшайбы до комнатной температуры. Остатки клеящего вещества с планшайб и пластин перед
шлифованием снимают ватным тампоном, смоченным в растворителе клеящего вещества. В качестве растворителя используют толуол, бензин, уайтспирит, этиловый или изопропиловый спирты, ацетон и др.
Вакуумное крепление пластин осуществляется с помощью специальной
головки с полостями, соединенными с вакуумной системой. Из полости постоянно откачивают воздух, в результате чего пластины надежно прижимаются к головке за счет атмосферного давления. Погрешности базирования
в этом случае ниже, чем при приклеивании, так как под пластиной нет слоя
клеящего вещества. Однако вакуумное крепление пластин сложно и оправдывает себя при обработке больших партий пластин одного размера за счет
их быстрого съема и закрепления.
Полупроводниковая промышленность для обработки пластин оснащена
широким парком станков. Так, для одностороннего шлифования свободным
абразивом с приклеиванием пластин используются станки типов; ЗШП-



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

49

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.7. Шлифование полупроводниковых подложек

350М, 4ПД-200, Ш-41б, ЖК 14-09, В1М3105000 и др., а вакуумное крепление
подложек возможно для станков КЗА 940, 3813В, 3927 и др. Двухсторонне
шлифование с использованием сепараторов для крепления пластин реализуется в станках типов БШП-350М, 4ПД-200, СЩД-150 и др.
Общим для всех типов станков является наличие одного или нескольких шпинделей, на которых закрепляются съемные шлифовальные диски,
система регулирования скоростей вращения шлифовальщиков, изменение
давления обрабатываемых пластин на поверхность шлифовальника, дозирование подачи абразивных суспензий в зону обработки.
Перед обработкой станки настраивают. Для этого лекальной линейкой
на просвет или специальной линейкой, снабженной тремя индикаторными
головками, контролируют неплоскостность рабочей поверхности шлифовальника по трем его диаметрам, расположенным под углом 60°. Если отклонение профиля превышает 16 мкм, поверхность диска подшлифовывают
(правят) чугунными кольцевыми притирами, устанавливаемыми вместо
планшайб или сепараторов с обильной подачей абразивной суспензии микропорошков карбида кремния с зернистостью 60/40, 50/40 и значительными
давлениями на них. Правка занимает по времени 10–20 минут в зависимости
от степени износа.
Шероховатость чугунных шлифовальников должна находиться в пределах от 0,63 до 0,16 мкм. Кроме того, эти шлифовальники должны быть
снабжены спиральными канавками для отвода шлама (отходов). Шлифовальники для тонкой доводки пластин из стекла, меди изготавливают с шероховатостью 0,16–0,04 мкм и гладкими без канавок поверхностями.
Режимы шлифования подбирают экспериментально. Скорости вращения шлифовальных дисков лежат в пределах от 25 до 120 об/мин, удельные
давления составляют сотые, иногда десятые доли Н/см2. Например, давление
на одну пластину диаметром 100 мм составляет 20–21 кг.
4.7.4. Приготовление суспензий для шлифования
При шлифовании полупроводниковых материалов свободным абразивом наибольшее распространение получили порошки карбида бора
(ГОCT 5744–85) – КБ, карбида кремния черного – КЧ (ТУ 2-036-972–85),
карбида кремния зеленого – КЗМ (ГОСТ 26327–84), электрокорунда белого –
ЭБ (ТУ 2-036-913–82), синтетического алмаза – АС и др.
Для шлифования используют шлифпорошки зернистостью от М28
до МЗ. Данные порошки по стандартам имеют отклонение зернового состава
от основной фракции, т. е., например, шифпорошок М28 с величиной зерна
25 мкм может содержать до единиц процентов как крупной, так и мелкой
фракций. Наличие крупных частиц в абразивных суспензиях может вызвать
появление царапин на шлифованных пластинах, поэтому перед приготовле-



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

50

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.7. Шлифование полупроводниковых подложек

нием суспензий проводят гидравлическую классификацию зерен порошка.
Гидроклассификация основана на свойстве оседания в жидкости зерен разных размеров с разной скоростью. Разделение зерен осуществляют осаждением в спокойной жидкости или восходящем потоке. При осаждении зерен
скорость их падения возрастает при увеличении массы и снижается при возрастании вязкости и плотности жидкости. Чаще всего осаждение производят
в растворе, содержащем 99,9 % воды и 0,1 % жидкого стекла. Добавление
в воду жидкого стекла повышает вязкость жидкости и способствует равномерному распределению абразива по всему объему. Гидроклассификацию
шлифовального порошка проводят следующим образом. Готовят 5–6%-ную
водную суспензию микропорошка. В суспензию вливают жидкое стекла из
расчета 1 г на 1 л воды, суспензию перемешивают в течение 3 минут и дают
отстояться в течение 5 минут. Затем осуществляют слив через сифон 5/6 объема суспензии (рис. 4.12). Осадок утилизируют. При гидроклассификации
одной порции микропорошка проводят не более 20 сливов, добавляя в суспензию через каждые 4 слива жидкое стекло из расчета 0,5 г на 1 л суспензии.

Рис. 4.12. Гидравлическая классификация абразивного порошка методом седимен
тации: 1 – сифон; 2 – сосуд с исходным порошком; 3 – сосуд с отмученным порошком
основной фракции (28 мкм может содержать до единиц процентов как крупной, так
и мелкой фракций).



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

51

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.7. Шлифование полупроводниковых подложек

Рис. 4.13. Классификация абразивного порошка в восходящем
потоке жидкости (F1–F5 площадь сечения сосудов)

При отмучивании можно проводить всего один слив, но при этом можно увеличивать время отстоя суспензии. Время отстоя при классификации,
например, электрокорунда для фракций 20, 14, 10 и 5 мкм составляет соответственно 5, 11, 23 и 50 минут.
Разделение зерен в восходящем потоке жидкости основано на использовании разности скоростей восходящего потока и падения зерен в этой жидкости. При определенной скорости потока крупные зерна оседают на дно,
а зерна меньших размеров с потоком выносятся в следующий сосуд
(рис. 4.13). Регулируя скорость потока в каждом сосуде, осуществляют разделение зерен на несколько фракций. Величину диаметра цилиндрической
части сосудов постепенно увеличивают. Проклассифицированный порошок
высушивают и готовят на его основе суспензии. Концентрация суспензии составляет Т:Ж = 1:2 или 1:3, где Т – твердая фаза (абразив), Ж – жидкая фаза.
В качестве жидкости используют дистиллированную или деионизованную
воду с добавлением эмульгаторов и веществ, повышающих вязкость (глицерин, этиленгликоль и др.). Чем крупнее абразив, тем больше должна быть
вязкость суспензии.
Рассмотрим следующий состав и способ приготовления абразивной
суспензии. В 1 л дистиллированной воды растворяют 150 мл глицерина,
добавляют 2,5 мл смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ «Аквол-2»,
ТУ 38.4.01.46–79), перемешивают и засыпают 450 грамм отмученного
порошка Ml 4.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

52

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.7. Шлифование полупроводниковых подложек

4.7.5 Шлифование свободным абразивом,
уплотненным инерционными силами
Этот метод можно отнести к нетрадиционным методам шлифования
плоских поверхностей, так как он не используется в настоящее время в полупроводниковой промышленности при обработке пластин в качестве типового
процесса. Метод в основном разрабатывался для обработки деталей сложного
профиля в машиностроении, но также может применяться для шлифования
полупроводниковых материалов.
На рис. 4.14 показана схема установки, в которой реализован способ
обработки поверхности с помощью свободного абразива, уплотненного
инерционными силами.
В установке уплотнение свободного абразива производится в барабане
3 путем раскручивания его ротором 2 с лопастями 4. Под действием инерционных сил абразивные частицы суспензии движутся по определенной траектории на периферию барабана, после чего перемешаются вдоль внутренней
поверхности барабана вращающимися лопастями. В нижней части барабана
имеется окно 3, через которое часть уплотненного слоя абразива направляется на поверхность обрабатываемой поверхности 1. При этом может двигаться
поверхность (рис. 4.14, а) или осуществляться подача барабана (рис. 4.14, б).

Рис. 4.14. Схема установки для обработки поверхностей изделий
свободным абразивом, уплотненным инерционными силами:
а – способ с подачей обрабатываемой детали; б – способ с подачей барабана



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

53

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.7. Шлифование полупроводниковых подложек

Качественные характеристики и производительность процесса обработки определяются степенью уплотнения свободного абразива, зазором между рабочим окном и обрабатываемой поверхностью, зернистостью абразива, а также скоростью подачи. Степень уплотнения, в свою очередь, зависит
от давления Р, с которым абразивная суспензия подается в полость ротора,
скорости вращения ротора и количества абразива, покидающего барабан
через рабочее окно. Большое влияние оказывают размеры окна и его конструкция на угол атаки и траекторию движения абразивных частиц по обрабатываемой поверхности. В частности, сконструировав окно определенным
образом и подобрав режимы обработки, можно добиться обработки сложнопрофильных поверхностей с глубиной профиля до 5–10 мм.
В описанном способе обработки так же, как при шлифовании связанным абразивом, интенсивный съем материала происходит за счет резания.
Однако вершины зерен абразива не внедряются в обрабатываемую поверхность, их давления хватает лишь для соскабливания микростружки.
Таким образом, при формировании полупроводниковых структур метод перспективен по следующим причинам. Он обладает возможностью одновременной обработки различных видов поверхностей большого количества
изделий. Для этого изделия укрепляют на оправках или стойках контейнеров,
на которые подают струю с абразивом. Такая обработка исключает необходимость в точном базировании и установке обрабатываемых изделий относительно рабочих органов оборудования. Метод может получить широкое распространение при обработке поверхности глубоких окон в полупроводниковых структурах для последующего осаждения в них различных покрытий.

4.8. Полирование полупроводниковых пластин
4.8.1. Особенности полирования
Механическая обработка поверхностей изделий (шлифование и полирование) связана с перемещением относительно друг друга двух поверхностей: инструмента и изделия, и удалением инструментом слоев материала
с обрабатываемой поверхности. Под инструментом в данном случае понимается связанный или свободный абразив. Связанный абразив представляет
собой частицы порошка, закрепленные неподвижно в металле, смоле или
других связках. Свободным считается абразив, если его зерна могут совершать перекатывающие движения. Здесь не рассматривается жидкостная
среда, в которую свободный абразив может быть помещен и в которой он
может вести себя не совсем свободно (например, в пастах, т. е. очень вязких
жидкостях).
Характерной особенностью при механической обработке свободным
и связанным абразивом является то, что возникающее трение локализовано


Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

54

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

в местах прикосновения поверхностей частиц абразива с обрабатываемой
поверхностью, т. е. оно локализовано в местах соприкосновения абразива
с обрабатываемой поверхностью. Для того чтобы осуществить удаление
материала связанным абразивом, достаточно внедрить зерна абразива в обрабатываемый материал, например, с помощью прижима инструментами, и начать двигать его относительно обрабатываемой поверхности. При этом чаще
всего происходит срезание неровностей поверхностей, их упругая пластинчатая деформация.
Удаление материала с обрабатываемой поверхности свободным абразивом происходит иным способом. Если размер частиц абразива велик (это
как, правило, свыше 3–1 мкм), то при перекатывании частицы по поверхности ее кинетической энергии будет достаточно для деформирования поверхности, в результате которой со временем на ней образуются трещины,
выколки и т. д. Однако при конечных стадиях обработки материалов используют абразив очень малых размеров (значительно меньше 1 мкм) – ультрадисперсный абразив. Объем и масса таких частиц крайне малы, но зато они
обладают развитой поверхностью и, следовательно, химически активны. При
создании условий сближения такой частицы с обрабатываемой поверхностью
могут возникнуть только адгезионные силы (силы сцепления поверхностей
в результате взаимодействия, в частности, сил поля). Поле сил, например,
может быть создано зарядом атомов (ионов, молекул), из которых состоит
верхний слой контактирующих между собой поверхностей. Если адгезионные силы будут по величине превосходить когезионные (силы сцепления
атомов, ионов или молекул внутри объема твердого тела), то возможна
ситуация отрыва частиц материала с обрабатываемой поверхности.
Первые два случая съема материала при механической обработке были
изложены в предыдущих главах пособия.
Здесь рассмотрим способы удаления материала с обрабатываемой
поверхности с помощью свободного абразива малых размеров, который используют исключительно при полировании. Причем будет учтено влияние
жидкой среды, в которую помещается свободный абразив в виде порошка.
Назначением полирования является преобразование шероховатой
(шлифованной) поверхности изделий в поверхность с очень малой (желательно на уровне атомных размеров) высотой микрорельефа и отсутствием
нарушенных приповерхностных слоев.
Полирование полупроводниковых пластин связано с наличием специальных полировальных составов (абразивных или безабразивных) и приспособлений, заставляющих двигаться эти составы по обрабатываемой поверхности. Причем эти приспособления могут касаться обрабатываемой
поверхности или не контактировать с нею. В традиционных схемах такие
приспособления выполняют в виде стеклянных или металлических пло-



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

55

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

ских дисков, рабочая поверхность которых покрыта достаточно мягкими
неметаллическими покрытиями.
При осуществлении процесса полирования с помощью полировальных
составов необходимо учитывать комплекс основных факторов (табл. 4.16).
От природы твердых тел зависит их контактное взаимодействие. Промежуточная среда в виде жидкостной основы полировального состава в процессе
взаимодействия твердых тел формирует между ними «третье тело», изменяя
это взаимодействие, которое будет осуществляться через адсорбированные
пленки.
Высокая температура в сочетании с высокими давлениями и скоростями, которые может испытывать абразивная частица, приводят к изменениям
свойств поверхностных слоев. Измененный под воздействием перечисленных
входных факторов поверхностный слой испытывает при взаимодействии абразива с обрабатываемой поверхностью деформации, которые способствуют
накоплению в нем различных дефектов, приводящих к разрушению и удалению слоя материала.
Таблица 4.16
Комплекс факторов при полировании
Входной фактор
Природа (структура связи,
физические и химические свойства
и т. д.) твердой фазы полировального состава и материала обрабатываемой поверхности.
Дисперсионная среда (технологическая жидкость) полировального состава
Нагрузка (давление) на полировальник.
Скорость относительного движения полировального состава по
обрабатываемой поверхности.
Температура
окружающей
среды

Внутренний фактор
Изменение шероховатости
(микрорельефа) обрабатываемой поверхности взаимодействующих твердых тел.
Изменение свойств адсорбируемых пленок.
Изменение механических
свойств.
Тепловыделение в зоне взаимодействия.
Накопление вакансий и дислокаций (дефектов)

Выходной фактор
Скорость удаления
(съема) материала с обрабатываемой поверхности.
Качество обработанной поверхности.
Расход полировального состава

При полировании важно осуществить баланс между скоростью удаления поверхностного слоя и скоростью накопления в нем дефектов, т. е.
создать такие условия полирования, которые позволили бы обеспечить бездефектный поверхностный слой в обрабатываемом изделии.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

56

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

4.8.2. Способы и механизмы полирования
Конечной цели процесса полирования можно добиться либо выглаживанием, либо удалением шероховатого и расположенного под ним дефектного приповерхностного слоя.
В соответствии с «теорией пластической текучести» считают, что
верхний микрослой под действием абразива приобретает некоторую пластичность и способен перемещаться. В результате этого движения неровности выравниваются. Данная теория не предъявляет четких требований к форме единичного зерна, но выдвигает на первое место разницу в прочностных
характеристиках обрабатываемого и обрабатывающего материалов. Полирование по изложенному механизму приводит к снятию рельефного слоя,
оставляя нижележащие дефектные слои. Здесь дискуссируется вопрос перемещения поверхностного слоя материала и вклад этого перемещения в результате выглаживания поверхности. Рассматривается возможность либо
термопластичного течения под действием достаточно высоких контактных
температур, либо пластического деформирования в сравнительно холодном
состоянии.
Согласно второй группе гипотез полирование осуществляется посредством удаления поверхностного слоя материала механическим абразивным
или химическим способами, либо механическим путем при участии химических факторов, способствующих его интенсификации. В этой группе гипотез
дискуссии подвергается способ удаления материала с полируемой поверхности. Изнашивание при полировании многократно изучено экспериментально,
и сомнений в его наличии не возникает. Предметом исследований является
механизм изнашивания, который может быть произведен либо чисто механическим абразивным путем, либо посредством сорбционного отрыва и захвата,
частицами полировального порошка молекулярно малых фрагментов слоя
или химическим взаимодействием компонентов полировальной системы.
В тех случаях, когда признается возможным одновременное действие двух
и более видов изнашивания, обсуждается вклад в процесс полирования каждого из них. Таким образом, задача формирования механизма полирования
сводится к выявлению превалирующего в реальных условиях типа и особенностей изнашивания поверхностных слоев и к определению роли возможного
в этом процессе выглаживания шероховатости за счет термопластического
или колоидно-химического оттеснения. Фундаментальные проблемы трения
и изнашивания изложены в научных изданиях и здесь не приводятся.
4.8.3. Механическое полирование
Механическое полирование связывается с гипотезой абразивного изнашивания, трактующей полирование как шлифование В субмикромасштабе.
Предполагается, что внедренные в полировальник мелкие (0,1–5,0 мкм) абразивные частицы срезают микронеровности и тем самым выравнивают поверхность до гладкой полированной. Основным аргументом в пользу абра

Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

57

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

зивного механизма служат результаты исследования тонкой структуры полированной поверхности, на которой обнаруживается сетка мелких царапин.
Считают, что такие царапины наносятся зернами полировального порошка
исключительно за счет абразивного воздействия.
Выбор полировочной ткани, натягиваемой на полировальник, зависит
от совместимости ее с используемой абразивной средой. Ткань полировальника должна удерживать своим ворсом частицы абразивного материала
в процессе обработки полупроводниковых пластин, быть стойкой к истиранию и иметь низкую стоимость. Обычно для предварительной полировки
используют безворсовые тканевые материалы. Ворсистые материалы применяют для окончательной обработки. Доминирующими факторами, влияющими на взаимодействие абразивных составов с обрабатываемой поверхностью,
а также на количество удаляемого материала и шероховатость получаемой
поверхности, является размер, в некоторых случаях форма частиц и нагрузка
на частицы абразива. При этом обработка может происходить как за счет
пластической деформации поверхности, так и хрупкого разрушения.
Зависимость критических нагрузок от радиуса частицы абразива, как
главных переменных процесса взаимодействия при абразивной обработке,
приведена на рис. 4.15.

Рис.4.15. Области необратимых изменений в материале
под действием абразивной частицы



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

58

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

В заштрихованной области происходят необратимые изменения в обрабатываемом материале под воздействием абразивной частицы – пластическая деформация, разрушение или оба процесса вместе. Частицы с радиусом
меньше rn могут производить только пластическую деформацию материала,
а частицы с радиусом, большим rх, – только хрупкое разрушение. В интервале rn – rх возможны как пластическая деформация, так и разрушение. При механическом полировании полупроводниковых пластин в большинстве случаев используют алмаз. Анализ процессов обработки различных неметаллических материалов свидетельствует о том, что алмазное полирование сопровождается пластической деформацией поверхностных слоевдаже хрупких материалов при использовании мягких полировальников и мягких абразивных
частиц. При полировании кремния на замше величина rn = 2–3 мкм. В поверхностном слое кремния после полирования алмазом зернистостью 2/1
и мельче трещин не обнаружено. Установлено, что для чисто пластической
деформации существует критический радиус частиц абразива rn, выражаемый
формулой
rn = k · В · Н,

(4.6)

где k и В – некоторые постоянные величины; Н – твердость обрабатываемого
материала.
При обработке, когда абразивному зерну усилие передается посредством полировальника, эта формула справедлива, если твердость Нn полировальника больше твердости обрабатываемого материала Н. В случае Нn < Н
в формуле (4.6) должна стоять величина Нn. Следовательно, чтобы обрабатывать полупроводники алмазом большей зернистости, надо уменьшить
твердость полировальника. Для оценки возможностей алмазной обработки
в табл. 4.17 приведены условия полирования некоторых материалов и даны
значения производительности для этих условий.
Таблица 4.17
Условия и производительность
алмазного полирования некоторых монокристаллов
Материал
Сапфир
–/–
Кремний
Германий
Арсенид
галлия



Зернистость
алмаза
5/3
1/0
1/0
1/0
1/0

СмазочноМатериал
Давление
охлаждающая
полировальника
·10-2, кг/мм2
жидкость
Сукно
Масло часовое
1,5
–/–
Замша
Спирт
0,06–0,1
Замша
Спирт
0,06–0,08
Замша

Спирт

Производительность,
мкм/мин
0,4
0,1
0,25
0,3

0,06–0,1

Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

0,35

59

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

Производительность полирования зависит от состояния полировальника. Так, при полировании первого комплекта пластин N1 на вновь установленных полировальниках из замши с использованием алмазных паст
зернистостью 2/1 производительность составляет 2–3 мкм/мин. В результате
приработки замши производительность возрастает до 3–6 мкм/мин. После
обработки 5–6 комплектов пластин производительность начинает падать
(рис. 4.16). Аналогичная зависимость наблюдается и при работе пастами
других зернистостей.
Режимы полирования полупроводниковых пластин подбираются в каждом конкретном случае экспериментально. Но, как правило, вращение полировальника не превышает 30–40 об/мин (на предварительных стадиях полирования допускается давление на пластины 0,0005–0,001 Н/мм2). При уменьшении зернистости абразива скорость вращения полировальника уменьшают,
а давление на пластины немного увеличивают или оставляют прежним.
Для обеспечения высокоэффективной механической обработки пластин
монокристаллов с алмазной кристаллической решеткой при малой глубине
нарушенного слоя полирование производится по замкнутому контуру наименее дефектообразующих направлений. Так, для обеспечения минимальной
глубины нарушений обработка поверхности пластины по плоскости (111)
должна производиться по замкнутому пятиугольному контуру направлений
[110]. Для пластин с ориентацией поверхности (001) можно выбрать два семейства оптимальных направлений, образующих квадрат. Различие по глубине нарушенного слоя и скорости удаления материала при механическом
полировании, а также при шлифовании для различных семейств направлений
составляет для пластин с ориентацией (111) 30–50 %, с ориентацией (001) –
15–30 % в зависимости от используемого абразива и способа обработки. Например, глубина нарушенного слоя после обработки пластины кремния типа
КЭС 0,01 свободным абразивом КЭМ5 по направлениям (110),(112) соответственно составляет 8–9 и 14–15 мкм, а при произвольной обработке это –
9–10 мкм. Скорость съема материала для указанных направлений 1,1;
2,8 мкм/мин соответственно. Различие в скоростях съема тем сильнее, чем
меньше размер зерна абразива.
При реализации абразивного изнашивания обрабатываемой поверхности производительность процесса полирования так же, как при шлифовании,
увеличивается при росте давления на полировальник. Кроме того, во всех известных случаях производительность шлифования быстро падает по мере
съема нарушенного предшествующей обработкой поверхностного слоя. Это
особенно хорошо иллюстрируется при обработке стекла. Увеличение скорости относительного движения частиц абразива и обрабатываемой поверхности, т. е. возрастание скорости вращения полировальника, также должно приводить к увеличению съема материала. Правда, увеличение скорости вращения полировальника должно ограничиваться гидродинимическим эффектом.
Другими словами, зазор, возникающий при движении между полировальником и обрабатываемой поверхностью, который тем больше, чем меньше давление прижима, выше скорость вращения и энергия смачивания поверхностей
жидкостью, должен быть меньше размера зерна полировального порошка.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

60

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

Рис. 4.16. Зависимость времени обработки комплекта пластин (припуск 60 мкм)
от числа комплектов N: 1 – для обычной пасты; 2 – для специальной

Сформулируем условия реализации механического полирования:
1. Твердость абразивных частиц должна превосходить твердость обрабатываемого материала.
2. Твердость полировальника должна обеспечивать абразивным зернам
режим микрорезания или деформирования обрабатываемой поверхности путем их перекатывания.
3. Кинетические параметры полирования и давления всегда подбирают
так, чтобы гидродинамический зазор между полировальником и обрабатываемой поверхностью был меньше размера зерен полировального порошка.
4. Объем и масса полировальной частицы должны быта достаточными
для осуществления механической работы по удалению материала с обрабатываемой поверхности.
5. Роль жидкостной основы полировального состава сводится к равномерному распределению зерен порошка по обрабатываемой поверхности
и охлаждению зоны контакта.
4.8.4. Основы химического травления полупроводников
Изучение влияния химического взаимодействия полировального состава с обрабатываемой поверхностью полупроводников на процесс удаления
вещества не возможен без знания основ химического травления.
Существует две теории травления полупроводников – химическая
и электрохимическая.
Растворение вещества по химическому механизму травления, в частности, это касается и полупроводников, состоит в протекании на его поверхности окислительно-восстановительных реакций. Молекулы химически-



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

61

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

активной среды (травителя) взаимодействуют с поверхностными атомами
полупроводника, образуя в травителе продукты химической реакции в виде
растворимых в нем комплексов полупроводникового материала. Поэтому активные среды (травители) обычно состоят из окислителя (для образования
оксидов), комплексообразователя (для образования растворимых соединений
с оксидом), растворителя (для растворения соединений с оксидом), специальных добавок (ускорителей, замедлителей реакций и т. д.).
По концентрации водородных ионов (обозначается РН) все среды делят
на нейтральные с РН = 7, кислые с РН < 7, щелочные с РН > 7. При травлении полупроводниковых кристаллов кислыми средами образующиеся при
диссоциации кислоты катионы и анионы взаимодействуют с поверхностью
кристалла. При этом в результате процессов адсорбции на поверхности появляется слой мономолекулярной толщины. Решающую роль при адсорбции
комплексов играет структура адсорбирующей поверхности кристалла, поэтому один и тот же травитель для кристаллографически различно ориентированных поверхностей действует по-разному. Дальнейшая реакция взаимодействия между кристаллом и агрессивной средой будет зависеть только от
стабильности и растворимости адсорбированного соединения. Если растворимость адсорбированного соединения мала, то толщина промежуточного
слоя растет и процесс травления прекращается. Это наблюдается при действии на кристалл концентрированных кислых сред. При высокой растворимости адсорбированого соединения начинает травиться сам кристалл. Использование щелочных сред приводит к образованию на поверхности полупроводников их оксидов, которые хорошо растворимы в щелочах, или рыхлых
с низкой прочностью гидроокисей.
Химическая реакция взаимодействия щелочи с кремнием может быть
записана в следующем виде:
Si + 2H2O = SiO2 + 2H2

(4.7)

SiO2 + nH2O = SiO2 · nH2O

(4.8)

SiO2 · H2O + 2KOH = K2SiO2 + (n+1) H2O

(4.9)

Уравнение (4.7) показывает окисление кремния водой до диоксида,
уравнение (4.8) – гидратацию, уравнение (4.9) – образование растворимого
силиката K2SiO2.
Скорость растворения кремния зависит от концентрации щелочи. Она
максимальна при 1–1,5 моль/л и температуре 100 °С.
При электрохимическом механизме травления поверхность полупроводника представляется энергетически неоднородной, поэтому на ее микроучастках возможно протекание противоположно направленных сопряженных
электрохимических реакций: анодной – перехода атомов полупроводника
в раствор в виде ионов и катодной – какого-либо восстановительного процес-



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

62

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

са. Суммарная скорость всего процесса в этом случае определяется скоростью наиболее медленной реакции. Анодный процесс связан с разрывом
связей кристаллической решетки, а катодный – с выделением дырок. Так,
травление с анодным контролем на разных участках происходит с различной
скоростью из-за наличия нарушений кристаллической структуры, ослабляющих связи решетки. Поэтому для полирующего (равномерного) травления
необходимо подобрать травитель с катодным контролем и полностью подавить способность к селективному травлению.
Проиллюстрируем сказанное на основе травления кремния в смеси
азотной и плавиковой кислот (НNO3 : HF = 1:4,5). На анодных микроучастках
поверхности кремния протекает реакция
Si + 2Н20 + 4g+ → SiO2 + 4Н+

(4.10)

Далее происходит процесс растворения окисла в плавиковой кислоте
по реакции
SiO2 + 6HF → H2SiF6 + H2O

(4.11)

При отсутствии в травителе окислителя, т. е. НNO3, единственной сопряженной катодной реакцией будет медленно протекающий процесс выделения водорода
2Н+ + 2е-→ H2↑

(4.12)

Если в травителе присутствует азотная кислота, то восстановление
окислителя происходит с захватом электронов из валентной зоны полупроводника, что равносильно образованию новых дырок непосредственно на поверхности микроэлектрода кремния:
NO3-+2e- → NO2-(+2g+),
т. е. образуются две дырки (2g+), которые участвуют в процессе анодного
растворения кремния. Полное уравнение реакции в этом случае имеет вид
Si + 2HNO3 + 6HF → H2SiF6 + 2HNO3 + 2Н20

(4.13)

Однако восстановление HNO3 на катодных микроучастках Si может
происходить и до NO. В этом случае при восстановлении одной молекулы
образуется уже не две, а три дырки:
NО3 + 3е- → NО (+3g+)
Общее уравнение будет иметь вид



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

63

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

3Si + 4HNO3 + 18HF → 3H2SiF6 + 4NO + 8Н2О

(4.14)

Недостатком статических (когда травитель или подложка неподвижны)
режимов химических методов обработки полупроводниковых подложек
является неравномерность травления по поверхности подложки. Это объясняется следующими факторами. Во-первых, в статическом режиме концентрация травильного раствора различна для разных участков поверхности.
Во-вторых, за счет неровностей (выступы и впадины) поверхности подложки
в разных ее частях выделяется неодинаковое количество тепла, что приводит
к локальному перегреву отдельных участков подложки и резкому увеличению на них скорости растворения полупроводникового материала.
В-третьих, периферийные области подложки (ее краевые части), к которым
быстрее поступает свежий травитель, находятся не в одинаковых термодинамических условиях и в результате этого подвергаются более интенсивному
травлению. Указанные факторы приводят к резкому ухудшению плоскопараллельности и завалам на краевых участках подложки. Улучшить качество
химического полирования можно несколькими способами.
Один из способов – электрохимическая обработка подложек. Суть способа заключается в пропускании через анод-подложку и металлический
катод, погруженный в электролит, электрического тока. При этом происходит электролитическое анодное растворение кремния, скорость которого
будет зависеть исключительно от плотности анодного тока и не зависеть от
факторов, перечисленных при химическом травлении. Однако достаточно
сложно подобрать такую плотность тока, которая бы не пассивировала поверхность и не способствовала росту рыхлого аморфного слоя, трудно растворимого в воде. Поэтому чаще всего от статических режимов обработки
переходят к динамическим.
Принцип химико-динамической обработки заключается в активном
перемешивании травителя непосредственно у поверхности подложки и постоянном вращении подложки в объеме травителя.
Скорость травления полупроводникового материала в первую очередь
зависит от скорости удаления продуктов реакции от поверхности подложки
и скорости доставки новых порций травильного раствора на границе раздела
«подложка – травитель». Перемешивание травителя, безусловно, способствует
быстрейшему выравниванию состава травителя по всему объему травильной
камеры и, как следствие, приводит к равномерности процесса химической
обработки. Химико-динамический процесс обработки подложек позволяет получать поверхность с высокой однородностью по плоскопараллельности, требует меньших затрат времени и реактивов и легче поддается автоматизации.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

64

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

4.8.5. Химико-механическое полирование
При всех достоинствах химические и электрохимические методы обработки полупроводниковых пластин имеют и существенные недостатки – использование агрессивных сред (травителей, электролитов), загрязняющих
обрабатываемые поверхности трудноудаляемыми продуктами реакции.
Поверхность полупроводников после химических и электрохимических
методов обладает повышенной активностью, что приводит к появлению на
ней окисной пленки. Толщина ее для Si может оставлять 0,07 мкм, для Ge –
около 0,02 мкм, для соединений А3В5 – до единиц микрон. Работа с агрессивными средами требует определенной осторожности, защиты оборудования от
их воздействия. Поэтому ведется поиск методов, которые, взяв положительные качества химических и механических методов обработки, позволят
избежать их недостатков. Так, появилась группа методов обработки полупроводниковых подложек под названием химико-механические.
Химико-механическое полирование (ХМП) заключается в совместном
воздействии химически менее активной (травящей) среды и механических
частиц или полировальника. Однако механизм взаимодействия частиц абразива с обрабатываемой поверхностью при ХМП отличается от абразивного.
Вначале на обрабатываемой поверхности образуется промежуточный слой,
по свойствам отличный от объема полупроводника, за счет химического действия жидкости травящей среды. Затем этот промежуточный слой удаляют
механически или растворяют в среде.
Если удаление происходит за счет механических (твердых или мягких)
частиц, равномерно распределенных по среде, то мы имеем дело с абразивной химико-механической полировкой. Удаление промежуточного слоя
с помощью полировальника без использования твердой составляющей в травителе реализуется в безабразивном методе химико-механического полирования, который часто называют химико-динамическим методом.
Растворение промежуточного слоя в химически активной среде присуще обеим разновидностям ХМП. Важно соблюдать баланс между скоростью
образования промежуточных слоев и их удалением или растворением. При
ХМП чаще всего используются щелочные среды, которые, как уже упоминалось, приводят к образованию на поверхности полупроводников их окислов,
растворимых в щелочах, или рыхлых с низкой прочностью гидроокисей, которые легко удаляются механически. Величина рН в данном случае играет
большую роль. При рН < 10 химическая реакция образования щелочных соединений неустойчива и возможен контакт абразива с поверхностью монокристалла полупроводника. В средах с рН>13 характерно появление областей
локального вытравливания (ямок). Рекомендуются для финишного полирования среды с рН = 11,0–13,0, а для суперфинишного – с рН = 10,5–11,0.
При создании щелочных сред в ХМП полупроводниковых пластин широко используют щелочи КОН и NaOH.
В абразивных полирующих составах, помимо химически активной



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

65

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

жидкости, применяют механические частицы микронных порошков оксидов
кремния SiO2 (азросил), циркония ZrO2, алюминия Al2O3, алюмосиликаты
(цеолиты); силикагель и некоторые другие. Размер частиц таких порошков
составляет 0,04–0,12 мкм. Из них приготавливают суспензию (размер частиц
до 100 нм.), золи (размер частиц менее 100 нм).
Микротвердость материалов используемых порошков лежит в широких
пределах. Однако при этом нужно помнить, что абразивными свойствами
частицы порошка должны обладать не по отношению к обрабатываемому
полупроводниковому материалу, а по отношению к образующемуся на его
поверхности промежуточному слою, микротвердость которого может иметь
очень малую величину. Некоторые компоненты составов для ХМП при
полировании полупроводников приведены в табл. 4.18.
Таблица 4.18
Компоненты составов
для химико-механического полирования полупроводниковых материалов
Твердая составляющая состава
Двуокись кремния

Жидкая составляющая фаза
Травитель (40%-ная молочная кислта и 60%-ная
азотная кислота) Многоатомный спирт (этиленгликоль, диэтиленгликоль или глицерин)
Двуокись кремния и двуокись алюминия Этилендиамин и вода
Двуокись кремния и окись циркония
Этилендиамин и вода
Алмаз диаметром меньше 0,25 мм
Щелочной радикал и вода
Силикат циркония
Гипохлорид натрия, метасиликат натрия, щелочь
Силикагель
Гидрозоль силикагеля
Золи или гели (диаметр частиц 4–200 нм)
Амины
Перекись водорода, вода и вещество для катионного обмена (азотнокислая медь или углекислый аммоний)
Алюмосиликаты (цеолиты)
Раствор гипохлорида щелочного металла и карбоната щелочного металла

Концентрация порошка в травящей среде невелика. Для финишного
полирования используют суспензию и золи концентраций Т:Ж = 1:(10–50),
а для суперфиншного – Т:Ж = 1:(50–200).
4.8.6. Бесконтактное полирование
ХМП можно достичь рельефа обрабатываемой поверхности с шероховатостью Rz = 0,02 мкм, обладающего высокой чистотой. Однако полное удаление нарушенного приповерхностного слоя является задачей практически
неразрешимой. При ХМП, неизбежно связанной с механическим давлением
и трением твердой среды полирующих составов и полировальника с обраба-



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

66

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

тываемой поверхностью, всегда присутствует нарушенный слой в виде
повышенной плотности дислокаций и остаточных упругонапряженных деформаций. Проблему уменьшения этого нарушенного слоя или его полного
удаления можно решить несколькими способами.
Во-первых, избавиться при обработке от влияния механического фактора. Например, убрать полировальник и твердую фазу в полирующих составах, что реализуется методами химического и электрохимического травления полупроводников.
Во-вторых, уменьшить влияние при полировании полупроводниковых
подложек механического фактора, совершенствуя свойства полировального
полотна или используя бесконтактное полирование. Его отличие заключается
в отсутствии контакта полировальника с обрабатываемой поверхностью,
находящейся на некотором расстоянии от полировальника. В зазоре между
ними помещают полирующий состав, содержащий частицы твердой фазы
и химически-активную жидкость или только травитель. Реализация бесконтактного полирования осуществляется способом удерживания поверхности
обрабатываемых пластин на некотором расстоянии от полировальника за
счет динамического давления, гидродинамической подъемной силы или
с помощью магнитов. В методе бесконтактного полирования полировальник
должен быть выполнен из легких материалов таким образом, чтобы его можно было удерживать на определенном расстоянии от обрабатываемых пластин. Используют для полировальника винилхлорид, уретановый каучук
и др. Показатели обработки зависят от гидростатического давления в зазоре,
регулируемого скоростью относительного движения полировальника и поверхностями пластин.
Как и для обычного метода полирования, при бесконтактном методе
обработки при увеличении диаметра частиц твердой фазы скорость удаления материала с поверхности возрастает. Скорость удаления кремния с пластин диаметром 76 мм при бесконтактном полировании при скорости вращения полировальника 125 об/мин и давлении 11 кПа составляет 10 и 28
мкм/ч при использовании частиц SiО2 диаметром 0,03 и 1 мкм соответственно. При этом характеристика качества поверхности на порядок выше,
чем при обычном методе ХМП. После бесконтактного полирования кремния коллоидными частицами SiО2 и амином в пластинах не было обнаружено таких повреждений, как дефекты упаковки, всегда возникающие при обычной обработке. Переход от бесконтактного полирования к контактному частицами SiO2 диаметром 0,03 мкм дает увеличение шероховатости с 0,001 мкм
до 0,004 мкм.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

67

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

Развитию метода бесконтактного полирования для получения сверхчистой и атомарно гладкой поверхности в настоящее время уделяется большое внимание. Детальное изучение метода показало, что механизм взаимодействия ультрадисперсных частиц твердой составляющей полирующих
составов с обрабатываемой поверхностью отличается от механизма взаимодействия при ХМП.
4.8.7. Механохимическое (трибомеханическое) полирование
Получение бесконтактным полированием обработанных поверхностей
с малой высотой микронеровностей рельефа, отсутствием механических нарушений в обрабатываемых поверхностных слоях позволило поверить в перспективность механических методов обработки полупроводников на последних стадиях полирования (суперфинише).
При использовании для абразивного полирования ультрадисперсных
частиц твердой фазы в нейтральных полирующих составах (с РН среды,
близкой к 7) скорость полирования падает при уменьшении величины частиц
абразива не линейно, как это наблюдается в области больших величин размеров зерен при одинаковых прочих условиях, а стремится к какому-то пределу. В некоторых случаях при подборе для конкретного полупроводника
материала абразива скорость полирования может резко возрасти (рис. 4.17).
Объяснить этот феномен можно с точки зрения трибомеханики.
Раздел физической химии, рассматривающий субмикроскопические
и микроскопические процессы, которые протекают при механическом воздействии на структуру ограничивающей поверхности твердых тел, называется трибомеханикой. Зависимость между механическими взаимодействиями
и явлениями, происходящими на границе раздела твердых фаз друг с другом,
весьма разнообразна и выяснена еще не полностью. Установлено, что механические воздействия (трение, удар) вызывают энергетически-возбужденные
состояния взаимодействующих тел. В результате этого твердые тела становятся активированными, т. е. имеющими термодинамически и структурнонестабильное расположение элементов решетки, и легко вступают во взаимодействие, подобно химическим реакциям. Итак, под механохимическими
реакциями будем понимать такие, при которых под действием механических
сил протекает химическое взаимодействие между твердыми телами, участвующими в трении или соударении, либо реакции обмена одного или другого
тела, участвующего в трении или соударении, с компонентами окружающей
их среды.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

68

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

Рис. 4.17. Скорость обработки различных материалов
ультрадисперсным порошком

Технически механохимический метод полирования был реализован
в работах японских ученых, который получил название эластоэмиссионного
метода обработки (ЕЕМ – Elastik emission machining).
Авторы объясняют ЕЕМ следующим образом. Когда два материала
различной химической природы вступают в контакт друг с другом, то на границе происходят различные типы взаимодействия, например, сцепление
между контактируемыми поверхностями за счет освобождения энергии поверхностных атомов. Если поверхности контактируемых тел разделить, то
с определенной вероятностью атомы каждой поверхности будут перемещаться на другую поверхность, т. е. ЕЕМ можно рассмотреть, как механический
метод обработки, использующий химическую активность частиц вместо травителя, как в химическом травлении. Важно правильно подобрать травитель,
т. е. частицы полирующего состава, которые в большей мере отрывали бы
атомы с обрабатываемой поверхности, чем сами их отдавали. Действительно,
экспериментально было установлено, что эффективность обработки различных материалов частицами двуокиси циркония (ZrO2) отличается существенно (рис. 4.18). Если для кремния ориентации (111) скорость полирования
велика, то для арсенида галлия ориентации (100) она крайне мала.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

69

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

Рис. 4.18. Схема реализации ЕЕМ

Реализуется ЕЕМ следующим образом. Ультрадисперсные частицы,
имеющие диаметр много меньше 1,0 мкм, стабилизируются в водной среде.
Частицы порошка ускоряются и перемещаются на рабочую поверхность
с малой нормальной нагрузкой (рис. 4.18). Когда частицы порошка контактируют с рабочей поверхностью, происходит отщепление атомов поверхности
посредством атомного взаимодействия между этими двумя поверхностями.
Взаимодействие осуществляется по рабочей площади, ограниченной данной
зоной контакта размерами не более 10 нм2. В этой зоне отщепляются только
те атомы, у которых энергия связи между атомом в поверхностном слое
и атомом во втором слое рабочей поверхности уменьшается к границе.
Итак, отщепляется только атом, следовательно, может быть получена
геометрически совершенная поверхность. Для исключения различного рода
механических повреждений толщину зазора регулируют таким образом,
чтобы она была больше величины диаметра частицы. Это достигается изменением скорости вращения сферы и нагрузкой. Сферу изготавливают из
полиуретановой резины, учитывая эластичность и стойкость к полирующим
составам. Обработка кристаллов Si (111) порошками ZrO2 зернистостью 0,02
методом ЕЕМ показала, что шероховатость обработки поверхности не превышает 0,5 нм при кристаллографическом совершенстве поверхности. Техническая реализация метода ЕЕМ показана на рис. 4.19.
Аналогичный механизм взаимодействия был отмечен при финишном
полировании пластин кремния ультрадисперсным алмазом, полученным
детонационным способом. Суть взаимодействия ультрадисперсного абразива
с обрабатываемым материалом следующая. Приближение частицы малых
размеров к обрабатываемой поверхности при трении, когда в небольшой зоне
контакта оба соприкасающихся тела находятся в активном состоянии, вызывает химическое взаимодействие этих тел. Такое взаимодействие возможно
только в динамическом режиме. Так как абразивная частица при движении
по обрабатываемой поверхности в первую очередь достигает микровыступов
ее рельефа, взаимодействие осуществляется по этим микровыступам, снижая



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

70

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

шероховатость обрабатываемой поверхности. Из-за малости размеров частицы кинетической ее энергии недостаточно для осуществления скольконибудь заметных механических повреждений поверхности, в том числе и
упругих деформаций. Поэтому приповерхностный напряженный слой будет
отсутствовать.
Итак, полирование ультрадисперсными абразивами по своему механизму взаимодействия абразива с обрабатываемой поверхностью кардинально отличается от их традиционного взаимодействия (механического, химического, химико-механического). Отличие состоит в том, что взаимодействие
происходит между активированными частицами абразива и поверхности.
Активация возможна при трении, т. е. при относительном движении частиц
друг относительно друга, что осуществляется при полировании. Активизируются частицы обеих трущихся поверхностей, поэтому отрыв атомов возможен с обеих поверхностей. Однако преимущественно будут отрываться
атомы с той поверхности, где силы сцепления между ними меньше. Важно
подобрать такой абразив, у которого атомы создают более прочную кристаллическую решетку по сравнению с атомами обрабатываемого материала
(см. рис. 4.17). При этом роль дисперсионной среды сводится к транспорту
частиц абразива в зону обработки. РН среды не играет никакой роли.

Рис. 4.19. Схема технической реализации метода ЕЕМ: 1 – двигатель; 2 – центри
рующее устройство; 3 – термостат; 4 – ванна; 5 –рабочая жидкость; 6 – циркулярный
насос; 7 – шпиндель; 8 – регулятор нагрузки; 9 – сфера; 10 – поверхность обрабатываемо
го изделия; 11 – крепление изделия; 12 – крестообразная пружина



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

71

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

В принципе описанный механизм будет работать не только с ультрадисперсным абразивом. Малые размеры частиц влияют лишь на величину
удара об обрабатываемую поверхность и на величину зоны контактирования.
Чем мельче частица абразива, тем меньше эти величины и тем более совершенная поверхность образуется при обработке.
4.8.9. Оборудование для полирования
Механическое и химико-механическое полирование можно осуществлять на одном и том же оборудовании, изменяя полирующие составы, режимы
обработки, материалы полировальника.
Как правило, механическое полирование используют в начале обработки, называя его предварительным. Чистовую обработку ведут химикомеханическим способом. Причем здесь может быть тоже несколько стадий:
финишная и суперфинишная.
Для полирования используют станки различных конструкций. Особенностью этих станков является использование стабильных, не колеблющихся
в процессе работы жестких полировальников большого размера с принудительным водяным охлаждением. Чаще всего станки имеют 4 планшайбы для
крепления пластин с охлаждаемыми кассетами и принудительными приводами. Производительность станков позволяет одновременно обрабатывать
212 пластин диаметром 60 мм или 96 пластин – 70 мм, или 60 пластин –
100 мм. Для односторонней полировки широко применяют полуавтомат
Ю1МЗ.105.004 (рис. 4.20).

1
2
3
4
5
6
7
8
9

а

б

Рис. 4.20. Полуавтомат Ю1М3105.004 (а) и его сечение, перпендикулярное оси
шпинделей (б): 1 – корпус; 2 – шпиндель; 3 – дозатор; 4 – блок; 5 – пластины;
6 – рассекатель; 7 –полировальник; 8 – стол; 9 – станина



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

72

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.8. Полирование полупроводниковых пластин

Станок имеет водоохлаждаемый полировальник 7, установленный на
столе 8 и приводимый во вращение двигателем. Привод полировальника размещается в станине 9. На четырех водоохлаждаемых кассетах закрепляются
блоки 4 с наклеенными кристаллами (пластинами) 5. При обработке блоки
свободно вращаются и прижимаются к полировальнику с помощью расположенных в верхней части корпуса 1 индивидуальных пневмоцилиндров, создающих рабочее давление. Полирующий состав подается из дозатора 3
в центр полировальника и коническим рассекателем 6 равномерно распределяется по его поверхности.
На станке установлены термометр для контроля температуры полирования, система подачи деионизованной воды для промывки пластин и полировальника по окончании полировки.
Станок имеет программное управление, позволяющее менять при обработке давление, время полирования, подачу полирующего состава, охлаждающей или промывающей жидкости. Отработанная суспензия попадает
в сборник и затем утилизируется.
Полировальные диски изготавливают из стойких к коррозии металлов
или стекла. На диски с помощью пялец натягивают полировальную основу.
Основа полировальника должна быть стойкой к воздействию полирующих
составов, действию сдвиговых усилий, иметь однородность свойств; натянутая основа не должна иметь складок, порезов, утолщений, разорванных
нитей, бугров и впадин, посторонних включений и других дефектов поверхности. Выбор полировальной основы обусловлен многими факторами: величиной и формой зерна абразива, необходимым качеством обработки, износоустойчивостью полировальника и т. д. Однако традиционно сложилось, что
при любом способе полирования на предварительной стадии используют
тканевые безворсовые материалы: мадаполам, сатин, лавсановая ткань, стеклоткань, фланель, батист и т. д.
На заключительных стадиях полирования применяются нетканые материалы: безворсовые (фетр, сукно, винилхлорид, полиуретан, кожа и др.)
и ворсовые с различной длиной и плотностью ворса (велюр, замша, полировальное полотно типа «поливел», «политон» и др.).
Стойкость полировальников с натянутыми полировальными основами
невелика. Так, батистовый полировальник пригоден в среднем для обработки
20–30 пластин, сатиновый – для 50–70, замшевый – для 100–120, велюровый –
для 500–600 пластин.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

73

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.9. Основные направления формирования
полировальных составов с заданными свойствами
4.9.1. Дисперсные системы
Под полировальным составом до сих пор мы понимали жидкость той
или иной вязкости, в которой равномерно распределен абразив. Известно, что
для полирования используется мелко раздробленный абразив, а состав жидкости может быть достаточно сложным. Для правильного понимания и целенаправленного формирования полировальных составов необходим общий
подход к их изучению. Таким общим подходом могут стать закономерности,
излагаемые в физической, коллоидной химии или химии поверхностных
явлений.
Под коллоидным состоянием вещества понимают состояние, в котором
вещество находится в высокодисперсном (сильно раздробленном) виде,
отдельные его частицы являются не молекулами или атомами, а агрегатами,
состоящими из множества молекул или атомов. Таким агрегатам могут быть
приписаны все термодинимические свойства фазы. Молекулы среды, в которой диспергированы (распределены) коллоидные частицы, образуют другую
фазу. Поэтому в коллоидной химии полировальный состав в простейшем
случае будет представлен двумя фазами: жидкой (среда) и твердой (раздробленные частицы абразива).
Следует отметить, что жидкость может состоять в свою очередь также
из двух фаз. Например, в сосуд помещены две несмешивающиеся жидкости
(вода и органический растворитель). В сосуде будут при интенсивном перемешивании находиться капельки одной жидкости, диспергированные в другой, или, наоборот, в зависимости от соотношения концентраций жидкостей.
Однако и здесь присутствуют две фазы – жидкость в жидкости. Наконец, сам
абразив представляет собой систему, состоящую из двух фаз: твердые частицы диспергированы в газе (воздухе).
Все описанные три системы фаз (твердая в жидкой, жидкая в жидкой,
твердая в газообразной), из которых состоит в общем случае полировальный
состав, имеют общее свойство – границу (или поверхность) раздела этих фаз.
Следовательно, к этим системам могут быть применены все закономерности
коллоидной химии.
Коллоидная химия такие системы называет дисперсными (коллоидными). Любая дисперсная система состоит из дисперсной (раздробленной) фазы
и дисперсионной среды. В зависимости от агрегатного состояния дисперсной
фазы и дисперсионной среды различают следующие дисперсные системы:
Т/Ж (твердая дисперсная фаза в жидкой дисперсионной среде), Ж/Ж (жидкая
дисперсная фаза в жидкой дисперсионной среде), Т/Г (твердая дисперсная



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

74

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.9. Основные направления формирования полировальных составов с заданными свойствами

фаза в газовой дисперсионной среде) и т. д. Общая классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз представлена в табл. 4.19.
Таким образом, полировальный состав, как любая дисперсная система,
обладает гетерогенностью (многофазностью) и дисперсностью. Считается,
что гетерогенность является качественной характеристикой объектов коллоидной химии, указывающей на наличие межфазной поверхности. Дисперсность определяет количество этой поверхности. Дисперсность характеризуется величиной Д = 1/а, где а – наименьший размер раздробленного тела.
Таблица 4.19
Классификация дисперсной системы
по агрегатному состоянию
Дисперсионная Дисперсная
Условное
Название системы и примеры
среда
фаза
обозначение системы
Твердая
Т/Т
Твердые гетерогенные системы:
минералы, сплавы, ситаллы, бетон,
композиционные материалы, полировальные круги
Твердая
Жидкая
Ж/Т
Капиллярные системы: жидкость
в пористых телах, адсорбентах, почве, грунтах
Г/Т
Пористые тела: адсорбенты и катаГазообразная
лизаторы в газах
Твердая
Т/Ж
Суспензии и золи: промышленные
суспензии, полировальные, шлифовальные составы, пасты, гели, пульпы
Жидкая
Жидкая
Ж/Ж
Эмульсии: природная нефть, кремы,
молоко
ГазообразГ/Ж
Газовые эмульсии и пены: флотациная
онные, противопожарные, мыльные пены
Твердая
Т/Г
Аэрозоли (пыли, дымы), порошки
Жидкая
Ж/Г
Аэрозоли: туманы, облака
Газообразная
ГазообразГ/Г
Коллоидная система не образуется
ная

Часто используют и другую характеристику дисперсности – удельную
поверхность Sуд, определяемую отношением площади межфазной поверхности к объему тела. Все три характеристики связаны между собой: при
уменьшении а увеличивается Д и Sуд.
Представленные в табл. 4.19 дисперсные системы по кинетическим
свойствам дисперсной фазы можно разделить на два класса: свободнодисперсные, в которых дисперсная фаза подвижна, и связнодисперсные системы –
системы с твердой дисперсионной средой, в которой частицы дисперсной
фазы связаны между собой и не могут свободно перемещаться.
По размеру дисперсной фазы системы подразделяются на ультрамикрогетерогенные (размер частиц а от 10–7 до 10–5 см, т. е. от 1 до 100 нм), мик

Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

75

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.9. Основные направления формирования полировальных составов с заданными свойствами

рогетерогенные (а от 10–5 до 10–3 см, т. е. от 0,1 до 10 мкм), грубодисперсные
(а свыше 10–3 см). Как уже упоминалось, к грубодисперсным системам относятся шлифовальные составы. Полировальные составы, как правило, относят
к микрогетерогенным системам. Реже используются в качестве полировальных составов ультрадисперсные системы.
При формировании полировальных составов необходимо подходить
к ним с точки зрения дисперсных систем типа Т/Ж, вначале изучая свойства
и поведение отдельных ее компонентов, а именно твердой фазы, которая,
в свою очередь, является дисперсной системой Т/Г, и дисперсионной среды,
которая в некоторых случаях может представлять дисперсную систему типа
Ж/Ж. Большое значение в описании этих систем имеет превращение поверхностной энергии Gs (произведение поверхностного натяжения  на площадь
поверхности S) в другие ее виды.
4.9.2. Свойства твердой фазы (порошков) и ее подготовка
В качестве твердой фазы полирующих составов используют порошки
различныхматериалов, получаемых как физико-механическими способами
(дробление для твердых материалов, распыление – для жидких), так и физико-химическими методами (окисление, восстановление, электролиз, детонация и т. д.).
Дисперсионная среда является сплошной, а дисперсная фаза раздроблена. У порошков дисперсной фазой являются частицы твердого вещества,
а дисперсионной средой – воздух (газ).
Грубодисперсные порошки применяют при шлифовке. В полирующих
составах используются ультрамикрогетерогенные (коллоидные) и микрогетерогенные системы. В коллоидных системах частицы настолько малы, что
вещество, из которого они состоят, практически содержит только поверхностные атомы и молекулы. Такие частицы по сравнению с отдельной молекулой обладают определенным агрегатным состоянием, которого не имеет
молекула. В современной литературе ультрамикрогетерогенные системы
чаще называют золями (от лат. solution – раствор). Среди них различают
твердые золи – системы Т/Т, аэрозоли – золи с газообразной дисперсионной
средой и лиозоли – золи с жидкой дисперсионной средой.
Порошки рассматриваются, как осажденные аэрозоли. По форме частицы в порошках подразделяют на равноосные, имеющие приблизительно
одинаковые размеры по трем осям; волокнистые, длина которых значительно
больше других размеров; и плоские, длина и ширина которых значительно
больше толщины. Газообразный характер дисперсионной среды и высокая
концентрация твердых частиц придают порошкам свойства сыпучих тел –
они обладают определенной текучестью. Текучесть характеризуется скоростью вытекания порошка через калибровочное отверстие размером 1,5–4,0 мм.
Текучесть порошка зависит от плотности, размера и формы частиц, состояния их поверхности, влажности и других свойств. Повышение дисперсности


Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

76

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.9. Основные направления формирования полировальных составов с заданными свойствами

приводит к уменьшению текучести, поэтому удобнее определять насыпную
плотность порошков. Под насыпной плотностью понимают массу единицы
объема порошка, свободно насыпанного в какую-либо емкость. Например,
насыпная плотность детонационных алмазов составляет 0,01–0,05 г/см3 . Помимо сыпучести (текучести), насыпной плотности порошки характеризуются
такими свойствами, как удельная поверхность, слипаемость, гигроскопичность, смачиваемость, абразивность, удельное электрическое сопротивление,
горючесть, взрываемость.
Удельная поверхность всякой дисперсной системы выражается
уравнением
Sуд = S1,2/V1,

(4.15)

где S1,2 – поверхность между фазами 1 и 2; V1 – объем дисперсной фазы.
Удельная поверхность возрастает при уменьшении размера частиц.
Для алмазных частиц размером 2–12 нм удельная поверхность составляет
330–390 м2/г. Удельная поверхность порошков может быть определена либо
по адсорбции азота на частицах, либо путем фильтрации жидкости через порошок, либо путем просасывания через него разреженного или неразреженного воздуха,
Удельную по массе поверхность порошка можно определить, зная радиус r его частиц, по формуле
Sуд = 3/(r · ρ) ,

(4.16)

где ρ – плотность материала частиц.
Слипаемость частиц порошка является следствием агрегативной неустойчивости коллоидных систем. Причины принципиальной неустойчивости
коллоидных систем объясняются как с термодинамической, так и кинетической точек зрения. Согласно термодинамике, агрегативная неустойчивость
коллоидных систем обусловлена наличием достаточно большой и всегда
положительной поверхностной энергии, сосредоточенной на межфазной
поверхности. Поскольку поверхностная энергия представляет свободную
энергию и так как все системы, обладающие избыточной свободной энергией, неустойчивы, это обуславливает способность коллоидной системы коагулировать. При коагуляции частицы слипаются, межфазная поверхность хотя
бы частично исчезает и таким образом уменьшается свободная энергия системы. Принято считать, что устойчивость подобных систем тем меньше, чем
больше запас энергии на межфазной поверхности. Если в системе присутствуют стабилизаторы, т. е. вещества, которые способны адсорбироваться
и понижать межфазное натяжение, то свободная энергия системы будет
понижена и соответственно будет выше ее устойчивость.
Согласно кинетике, неустойчивость или устойчивость коллоидной или
микрогетерогенной системы определяется балансом сил, действующих меж-



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

77

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.9. Основные направления формирования полировальных составов с заданными свойствами

ду отдельными ее частицами. К таким силам относят силы двух родов: силы
сцепления, стремящиеся сблизить частицы, образовать из них агрегат, и силы, отталкивания, препятствующие коагуляции. Силы сцепления имеют ту
же природу, что и межмолекулярные (вандерваальсовские) силы. Однако существенно, что силы, действующие между частицами, очень быстро возрастают при сближении поверхности частиц. Силами отталкивания могут быть
электрические силы, возникающие в результате избирательной адсорбции
межфазной поверхностью одного из ионов электролита, присутствующего в
системе. Поскольку частицы дисперсной фазы по своей природе одинаковы и
адсорбирует всегда определенный ион, все они приобретают электрический
заряд одного и того же знака и будут испытывать взаимное отталкивание, что
препятствует сближению их на такие расстояния, где уже могут действовать
межмолекулярные силы сцепления. Другой причиной, препятствующей
сближению коллоидных частиц, может стать образование на их поверхности
сольватной оболочки из молекул среды.
Из сказанного следует, что неустойчивость порошков выражается
свойством слипаемости его частиц и определяется величиной энергетического барьера, препятствующего сближению частиц на близкие расстояния.
Высокая гигроскопичность порошков объясняется их капиллярной
структурой. Частицы порошка всегда находятся в контакте. Однако площадь
контакта очень мала, в порошках имеются каналы и пустоты, которые легко
заполняются влагой.
Явления смачивания определяются интенсивностью взаимодействия
между молекулами различных веществ. Явление смачивания обычно рассматривают на примере поведения капли жидкости, нанесенной на поверхность твердого тела. Если молекулы жидкости взаимодействуют с молекулами твердого тела сильнее, чем между собой, то жидкость будет растекаться
по поверхности или, как говорят, смачивать ее. Если молекулы жидкости
взаимодействуют друг с другом значительно сильнее, чем с молекулами
твердого тела, растекания не произойдет. На рис. 4.21 изображены капли, образующиеся на твердой поверхности: острый краевой угол (Q < 90°), прямой
краевой угол (Q = 90°), тупой краевой угол (Q > 90°). Следует заметить, что
краевой угол, образуемый каплей на поверхности твердого тела, всегда измеряют со стороны жидкости.
Измерение осуществляют следующим образом. С помощью пучка света, направленного параллельно поверхности, проектируют боковое изображение на экран. Затем на экране очерчивают контур капли, сидящей на
поверхности твердого тела, и через точку, в которой соприкасаются все три
фазы (жидкость, твердое тело, воздух), проводят касательную к контуру
капли, по углу наклона которой и определяют краевой угол. То или иное
смачивание жидкостью поверхности: тела может трактоваться как результат
действия сил поверхностного натяжения (рис. 4.22).
Периметр капли является границей взаимодействия трех сред: жидкости (1), воздуха (2) и твердого тела (3). Эти среды имеют разграничивающие



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

78

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.9. Основные направления формирования полировальных составов с заданными свойствами

их поверхности: поверхность «жидкость – воздух» с поверхностным натяжением σ1,2; поверхность «воздух – твердое тело» с поверхностным натяжением
σ2,3; поверхность «жидкость – твердое тело» с поверхностным натяжением
σ1,3. На рис. 4.23 силы  обозначены соответствующими векторами. Условие
равновесия сил выражается уравнением Юнга:
σ2,3 = σ1,3 + σ1,2 cos θ.

(4.17)

Решив это уравнение относительно cos θ, имеем
cos θ = ( σ2,3 + σ1,3)/σ1,2.

(4.18)

Чем больше угол θ и соответственно меньше cos θ, тем хуже смачивается поверхность твердого тела. Считают, что если θ тупой, т. е. cos θ < 0,
то по отношению к данной жидкости поверхность плохо смачивается. При
cos θ > 0 (θ остром) поверхность хорошо смачивается.

а

б

в

Рис. 4.21. Различные случаи неполного смачивания:
а – Q < 90°; б – Q = 90°; в – Q > 90°

Рис. 4.22. Зависимость между краевым углом и поверхностными натяжениями
σ1,2, σ2,3, σ1,3: 1 – жидкость; 2 – воздух; 3 – твердое тело



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

79

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.9. Основные направления формирования полировальных составов с заданными свойствами

Т

Т
М

Т
М

М

θ
θ

θ

θ
а

б

в

Рис.4.23. Избирательное смачивание (в – вода, М – органическая (масляная) жид
кость, Т – твердое тело): а – избирательное смачивание водой; б – отсутствие изби
рательного смачивания; в – избирательное смачивание неполярным углеводородом
(масло)

Различные жидкости неодинаково смачивают одну и ту же поверхность. Согласно приближенному правилу, лучше смачивает поверхность
та жидкость, которая ближе по полярности к смачиваемому веществу (она
сильнее с ним взаимодействует и имеет меньшее поверхностное натяжение).
Для сравнительной оценки смачиваемости поверхностей различными жидкостями обычно сопоставление приводят с водой. Представим себе, что
поверхность твердого тела находится в соприкосновении с полярной водой
и каким-нибудь неполярным углеводородом, не смешивающимся с водой.
В том случае, если краевой угол θ, образуемый со стороны воды, меньше 90°,
а значение cos θ > 0, поверхность называют гидрофильной. К веществам
с гидрофильной поверхностью относят кварц, стекло, силикаты, карбонаты,
сульфаты окиси и гидроокиси металлов. Если же твердое тело лучше смачивается неполярным углеводородом, т. е. если для воды θ > 90°, а значение
cos θ < 0, поверхность называют гидрофобной, или лиофильной. Гидрофобной поверхностью обладают органические соединения с большим содержанием углеводородных групп, сульфиды металлов и др.
Для улучшения смачивания водой обычно применяют смачиватели –
растворимые, хорошо адсорбирующиеся, поверхностно-активные вещества
(ПАВ), понижающие поверхностное натяжение на границе «твердое тело –
жидкость» и одновременно на границе «жидкость – воздух», т. е. понижаются σ1,3 и σ1,2. Обычно молекулы смачивателей обладают дифильным строением, характерным для всякого ПАВ, и адсорбируются на поверхности воды,
ориентируясь углеводородными цепями наружу, благодаря чему на поверхности воды создается как бы пленка углеводорода. Этим объясняется понижение поверхностного натяжения раствора. Примером этих веществ могут
служить все мыла, а также неионогенные смачиватели с молекулой дифильного строения.



Актуальные проблемы современной электроники и наноэлектроники. Пособие по курсовой работе

80

4. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПОДЛОЖЕК ЭЛЕКТРОНИКИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

4.9. Основные направления формирования полировальных составов с заданными свойствами

К смачивателям второго типа относятся сравнительно слабые ПАВ, но
молекулы которых в растворах могут сильно гидратироваться. Смачиватели
этого типа, адсорбируясь твердым телом, образуют на них тонкие коллоидные пленки, хорошо смачиваемые водой и прочно удерживающие ее на своей
поверхности. Кроме улучшения смачиваемости, это вещество обладает и явно выраженным стабилизирующим и эмульгирующим действием. Впрочем,
резкой границы между смачивателями обоих типов нет. Очень часто вещество, являясь смачивателем первого типа при малых концентрациях, проявляет
особенности смачивателей второго типа при повышении концентрации
(обычные мыла).
При улучшении характера поверхности порошков измерение угла смачивания θ затруднительно, поэтому используют другие характеристики процесса смачивания. Например, можно количественно определить калориметрическим методом теплоту смачивания, которая выделяется при погружении
твердого вещества в жидкость. Теплоту смачивания обычно относят к единице поверхности или массы смачиваемого вещества и выражают в Дж/м2 или
Дж/кг. Смачивание твердой поверхности жидкостью приводит к образованию новой фазовой границы «твердое тело – жидкость» и сопровождается
уменьшением поверхностной энергии. Для гидрофильных поверхностей теплота смачивания qвсм водой больше, чем органическими жидкостями qмсм, для
гидрофобных поверхностей наблюдается обратная зависимость. Обычно
измеряют отношение qвсм /qмсм = В. Величину В называют коэффициентом
гидрофильности. Для гидрофильных поверхностей порошков В > 1, а для
гидрофобных – В