автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Моделирование процессов механической обработки пластин полупроводниковых и диэлектрических материалов свободным абразивом

ооаио"'---

На правах рукописи Экз. №_

Брнтвин Альберт Александрович

Моделирование процессов механической обработки пластин полупроводниковых и диэлектрических материалов свободным

абразивом

Специальность 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва, 2007

003068218

Работа выполнена на кафедре материалов и процессов твердотельной электроники Московского государственного института электронной техники (Технического Университета)

Научный руководитель: старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук - Литвинов Юрий Михайлович

Официальные оппоненты:

- профессор, доктор технических наук Неустроев Степан Архипович

- доцент, кандидат технических наук Шульга Владимир Григорьевич

Ведущая организация - Научно-Исследовательский Институт Особо Чистых Материалов

Защита состоится АС&Л 2007 г. в тт

на заседании диссертационного совета Д 212.134.03 при Московском Государственном Институте Электронной Техники (Техническом Университете).

Адрес института: 124498, Москва, К-498, Зеленоград, МИЭТ С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ Автореферат разослан " _2007 г.

Соискатель

А.А. Бритвин

Ученый секретарь, . Д 212.134.

д.т.н. профессор Коледов

.134.03

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

За последние несколько лет в промышленной микроэлектронике произошло существенное увеличение номенклатуры материалов электронной техники (А1203, полупроводниковые соединения АШВУ, БЮ, 1л№>03, Ое и другие). По мере повышения требований к качеству пластин, уменьшения размеров элементов и увеличения степени интеграции СБИС, сопровождающихся уменьшением толщины подзатворного диэлектрика до нескольких нанометров, структура приповерхностного слоя, границы раздела и поверхности пластин начинают оказывать определяющее влияние на характеристики подзатворного диэлектрика. Наряду с этим, одними из основных дефектов исходных пластин, являются механические повреждения, возникающие в течении всех технологических процессов механической обработки материалов электронной техники, начиная с дисковой резки, заменяемой в последнее время на многопроволочную резку (МПР) свободным абразивом и заканчивая химико-механическим полированием (ХМП). Механическая обработка пластин на любом из этапов, начиная с этапа резки, заключается во взаимодействии абразивных частиц с приповерхностными слоями материала и отводе образующихся продуктов взаимодействия из активной зоны. Задача любого последующего после резки технологического процесса обработки - удаление нарушений, возникших на предыдущих этапах обработки и получение плоской, свободной от механических повреждений поверхности. Параметры плоскостности закладываются на операциях шлифования свободным или связанным абразивом, а остаточные приповерхностные повреждения должны удаляться на последующих операциях щелочного или кислотного травления и ХМП. Благодаря относительно недавнему внедрению современного способа обработки материала, такого как МПР свободным абразивом, предполагается в дальнейшем исключить операцию двухстороннего шлифования (ДСШ) свободным абразивом из технологического процесса, как источника внесения дополнительных механических повреждений в пластину.

Однако пока процесс МПР не до конца изучен и после его внедрения в производство были обнаружены существенные присущие этому методу недостатки. Так предварительные исследования и литературные данные показывают, что после многопроволочной резки

монокристаллов кремния на пластины на последних остается макрорельеф, амплитуда которого достигает 10 мкм, а по отдельным данным - 30 мкм. Таким образом, пока все равно требуется дополнительная операция планаризации поверхности с использованием ДСШ перед последующей операцией ХМП.

Исходя из вышесказанного следует, что перед каждым технологическим процессом обработки материала нам нужно знать конечный результат используемого процесса для его согласования с последующими процессами съема. Для сокращения сроков разработки новых и усовершенствования прежних процессов механической обработки нам нужно иметь модельные представления каждого из технологических процессов, начиная от процесса МПР свободным абразивом и заканчивая ХМП. Полученные спрогнозированные данные могут быть использованы для оптимизации технологических процессов, при условии, что известны или измерены такие параметры обрабатываемого и обрабатывающего материала, как модуль упругости, твердость, трещиностойкость, а также форма и размер зерна применяемого абразива. Использование этих данных позволяет построить наиболее экономичный размерный ряд обработки различных материалов электронной техники.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка моделей процессов съема материала с пластин свободным абразивом, с учетом которых можно будет строить экономичный размерный ряд обработки различных материалов электронной техники. На основании данной цели работы были поставлены следующие задачи исследования:

1) Создание моделей абразивного износа, связанных с процессами хрупкого разрушения при МПР и ДСШ свободным абразивом и с упруго-пластической деформацией поверхности при ХМП;

2) Определение методик экспериментальных исследований механических свойств и структуры приповерхностных нарушенных слоев обрабатываемых и обрабатывающих материалов;

3) Проведение экспериментальных исследований с целью:

а. определения структуры, глубины повреждений в приповерхностных слоях после технологических операций (МПР и ДСШ свободным абразивом и ХМП);

Ь. определения изменений твердости и модуля Юнга верхнего пористого слоя используемых полировальников в процессе их износа при ХМП. 4) Разработка модели процесса химико-механического полирования пластин полупроводниковых и диэлектрических материалов свободным абразивом с учетом всех участвующих механических параметров процесса.

Научная новизна диссертационной работы:

1) Впервые рассчитаны глубины нарушенного слоя для наиболее значимых материалов электронной техники (81, ваАв, Л1203, ваР) при их многопроволочной резке и двухстороннем шлифовании свободным абразивом;

2) Впервые проведено определение изменения твердости, модуля упругости (Юнга) и структуры верхнего пористого слоя используемых при ХМП полировальников;

3) Разработана модель съема при химико-механическом полировании, учитывающая множество механических параметров, используемых в процессе (давление на обрабатываемый материал, относительная скорость вращения материала, механические свойства частиц абразива в суспензии, обрабатываемого и обрабатывающего материала такие, как твердость и модуль упругости, химический состав суспензии, форма и размер частицы, распределение размера частиц в суспензии, концентрация, геометрические параметры полировального станка).

Лнчный вклад:

Личный вклад автора заключается в разработке основной идеологии работы, получении большинства экспериментальных данных, анализа и их расчетов, участия в обсуждении результатов и написании статей.

Практическая ценность:

1) Построены и подтверждены модели процессов съема материала с пластин свободным абразивом, на основании которых можно будет строить экономичный размерный ряд обработки различных материалов электронной техники;

2) Расчетным путем получены знания о глубине нарушенного слоя в материалах электронной техники (81, ОаАв, Л1203, СаР),

которые служат основой для построения размерного ряда обработки при использовании процессов МПР, ДСШ и ХМП. 3) Результаты работы апробированы на примере ХМП GaAs

(111) В в ЗАО «Элма - Малахит». Акт об использовании результатов диссертационной работы прилагается.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) Модельные представления влияния размера и формы абразивных частиц на глубину повреждений в материалах электронной техники

2) Комплекс исследований нарушений структуры обрабатываемого материала, возникающих при проведении процесса ХМП

3) Учет механических свойств полировальников в модели съема в процессе ХМП

Апробация работы:

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

8-th Scientific and Business Conference, Roznov, Czech Republic, 2002

III Международная конференция "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений" (MPFP) на базе XLI Международного семинара "Актуальные проблемы прочности", Тамбов, 2003

II Международная конференция по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», Москва, 2003

IV Национальная конференция по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов., Москва, 2003

IX Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники», Дивноморское, Россия, 2004

9-th Scientific and Business Conference, Roznov, Czech Republic, 2004

X Международная научно-техническая конференция «Тонкие пленки в элеетронике», Москва, ОАО ЦНИТИ «ТЕХНОМАШ», 2004

II научный семинар с международным участием «Современные методы анализа дифракционных данных», Великий Новгород, 2004 Конференция «Кремний 2004», Иркутск, 2004

XV Петербургские чтения по проблемам прочности, Санкт-Петербург, 2005

12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2005», Зеленоград, 2005

XI Международная научно-техническая конференция «Тонкие пленки в электронике», Москва, ОАО ЦНИТИ «ТЕХНОМАШ», 2005

XVI Международная конференция «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, 2006

Структура и объем диссертации:

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, общих выводов, списка литературы из 105й наименований и 2Ш приложений. Работа изложена на 129 страницах машинописного текста и содержит 36 рисунков и 15 таблиц.

Содержание диссертации

Во введении сформулирована основная цель работы, раскрыта структура диссертации и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен подробный анализ:

- механизмов удаления материала с поверхности пластин при их

обработке свободным абразивом при МПР и ДСШ;

- математических моделей механизма съема материала с поверхности

обрабатываемого материала при ХМП.

Было установлено, что абразивное изнашивание при МПР или ДСШ свободным абразивом происходит посредством хрупкого разрушения. Съем материала при такого рода абразивном воздействии осуществляется за счет образования, роста и объединения трещин, образующихся от близлежащих абразивных частиц. Однако это утверждение совсем не справедливо для процесса химико-механического полирования. Съем материала в процессе ХМП происходит как чисто механически, в результате непосредственного

контакта множества точек на поверхности пластины с частицами полирующей дисперсной среды, так и в результате химических реакций, активируемых путем повышения давления и температуры в процессе полирования.

Было проанализировано развитие моделей ХМП по времени их поступления в печать. Показано, что предлагаемые модели не обеспечивают точность расчета и для построения полноценной модели необходимо учитывать все механические свойства обрабатываемых и • обрабатывающих материалов.

В конце главы изложена постановка задач исследований.

Вторая глава посвящена методам исследования механических свойств и структуры приповерхностных нарушений слоев обрабатываемых и обрабатывающих материалов.

Отмечено, что для оценки дефектности приповерхностных областей рабочих пластин применяют метод двухкристальной рентгеновской дифрактометрии по физическому уширению, (3, кривых дифракционного отражения (КДО) на половине высоты

дифракционного пика (). Представлены значения длины

экстинкции, которая характеризует глубину проникновения рентгеновских лучей в кристалл при динамической дифракции (толщину информативного слоя).

Методикой, призванной визуализировать структуру приповерхностного слоя во всем диапазоне процесса обработки пластин, выбрана секционная рентгеновская топография (СРТ).

Для исследования структуры приповерхностных слоев был выбран метод исследования на синхротронных источниках рентгеновского излучения и на рентгеновских трубках.

Подробно описана методика непрерывного вдавливания индентора. Достоинство метода непрерывного вдавливания индентора в режиме микроиндентирования обуславливается тем, что в одном эксперименте при увеличении нагрузки на индентор можно пройти стадии как упругой, так и упруго-пластической деформации вплоть до стадии хрупкого разрушения.

Достоинством представленной методологии является применение единого энергетического подхода к одновременному определению упругих (Е), пластических (Н) и хрупких (К^) свойств испытуемых материалов, пользуясь исключительно параметрами, извлекаемыми из

диаграмм вдавливания И-Ь, и не прибегая при этом к дополнительным микроскопическим исследованиям зоны отпечатка индентора.

Определили механические свойства арсенида галлия и сапфира методом непрерывного вдавливания индентора. Механические свойства

обрабатываемого материала (ваАя (111)В) такие, как твердость Н и модуль упругости Е, необходимы для предсказания скорости съема материала при химико-механическом полировании. Методология определения модуля упругости Е и истинной твердости Н была той же, что и ранее, с учетом того, что экспериментальные данные на участках нагружения и разгружения диаграммы Б - Ь аппроксимировали уравнениями третьей степени с использованием метода наименьших квадратов. Приведенный модуль упругости Е* определялся по известной формуле через жесткость контакта Б:

Е Б

Е =-=-■ , где Е и V, соответственно, модуль

упругости и коэффициент Пуассона обрабатываемого материала, /? =

1,034 для пирамиды Берковича и к = 24,5 - формфактор для пирамиды Берковича.

Жесткость контакта 8 определяли дифференцированием кривой разгружения в точке /¡^ - 5 = @Е А (_) , где А (А^ ) = ; к = 26.4 и [¡=1,14 для идеальной пирамиды Виккерса; !гпл -

пластическая составляющая глубины проникновения индентора. Истинную твердость определяли по формуле:

Г

Н =-—-где \У , а = ЗлУ 3 для пирамиды

исж 2 2 пя 0 упр *

9а-(Ш у/) Берковича.

Ниже представлена таблица 1 с результатами расчетов по вышеприведенной методологии.

В эксперименте определили изменение твердости и модуля Юнга верхнего пористого слоя используемых двухслойных

полировальников в процессе их износа при химико-механическом полировании. Задача состояла в разделении механических свойств "мягкого" верхнего пористого слоя от более твердой основы. Для этого глубина проникновения индентора в верхний слой не должна была превышать 20 % от толщины пористого слоя. При толщине верхнего пористого слоя 530 мкм глубина проникновения индентора не должна превышать 100 мкм. Нижняя граница глубины внедрения была определена исходя из размера пор (— 40 мкм). Считая, что пора является сферической, глубина внедрения индентора должна быть более 20 мкм.

Таблица 1

Таблица с результатами расчетов

Материал Е, ГПа Н, ГПа К1с, МПа*мш

А1203 (0001) 401.3 79.2 5.5

А1203(1012) 280.0 61.3 6.5

ОэАб (111 )В 108.8 7.4 --

81(100)/А12Оз(Ю1 2) 132.8 11.2 1.4

Сравнительные диаграммы И-Ь для двух образцов полировальника в исходном состоянии (0 циклов) и после 18 циклов процесса ХМП показаны на рис. 1.

В первом случае кривая разгружения вдет более полого, чем во втором. Истинная твердость верхнего пористого слоя полировальника в исходном состоянии (0 циклов) меньше, чем истинная твердость верхнего пористого слоя полировальника, прошедшего 18 циклов процесса ХМП. Суммированные данные расчетов, приведены в Табл. 2

h, mkm

Рис. 1. Диаграмма непрерывного микроиндентирования F - h полировальника в исходном состоянии (0 - циклов) и после 18 циклов процесса ХМП GaAs (111 )В.

Таблица 2 Сводная таблица результатов

Параметры Образцы

0 - циклов 18 - циклов

Е* МПа 6,0 9,2

Н„ст, МПа 0,93 1,53

Определили изменение структуры верхнего пористого слоя двухслойных полировальников в процессе их износа при химико-механическом полировании методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).

В результате проведенных экспериментов по полированию пластин

GaAs (111 )В на полировальнике Ciegal были сделаны снимки исходного полировального полотна (рис. 2 а - 0 циклов наработки) и полировальника после 18 полных циклов наработки (рис. 2 б).

а) б)

Рис. 2. СЭМ-изображение изменений в структуре полировальника "Ое£и1 - 7355 -

ОООТ1" после 18 циклов процесса ХМП СаЛя (III )В: а - 0 циклов; (' 8 циклов; увеличение 4(Юх,

Как видно из рис. 2 а, полировальник имеет пористую структуру. Поры с одинаковым размером равномерно покрывают поверхность полировальника. Четкие границы пор позволяют судить о том, что полировальник еще не использовался в процессе ХМП, После 18 циклоп обработки пластин ОаА.ч этот же полировальник был сиона исследован на СЭМ. Как видно из рис. 2 б, полировальник, прошедший 18 циклов и насыщенный влагой и суспснзисй, имеет несколько отличную от исходного полировальника (0 циклов) структуру:

1) вершины пор (сс краев) срезаны; 2) из-за срезания краев пор их эффективный размер становится больше. Именно эти изменения в структуре полировальника после 18 циклов ХМП, вместе с заполнением пор суспензией, приводят к изменению Е и Н относительно исходного состояния.

В третьей главе предложены модели процессов съема материала с пластин полупроводниковых и диэлектрических материалов свободным абразивом. Необходимость таких моделей чрезвычайно высока, поскольку важно знать, по какому закону строится взаимодействие обрабатываемых тел и возможность управлять результатом этого взаимодействия. Модели были поделены на 2 категории: 1) модель процессов удаления материала с поверхности пластин при двухстороннем шлифовании и много проволочной резке свободным абразивом; 2) модель процесса удаления материала с поверхности

пластин при химико-механическом полировании на «мягком» полировальнике.

В первом случае мы рассмотрели две модели, которые выглядят наиболее предпочтительными. В основе обоих моделей лежат представления о хрупком разрушении твёрдых тел под действием концентрированных нагрузок абразивных частиц - инденторов на обрабатываемый материал. В первой модели рассчитывается максимальная глубина проникновення медианных и радиальных трещин в материал при воздействии абразива остроугольной формы на поверхность обрабатываемого материала. Глубина приповерхностного поврежденного слоя имеет следующее выражение:

Лари]

1 +

V

(Я Е)1 <

где аир константы, равные, соответственно, 0,016 и тс, а Е, Н5 и К1С, - соответственно модуль упругости, твёрдость и трещиностойкость обрабатываемого материала, Нс - твёрдость контртела (шлифовальника), Я3 - средний радиус абразивных частиц. Особенностью модели является учёт механических свойств контртела -шлифовальника при двухстороннем шлифовании свободным абразивом.

Во второй модели рассчитывается размер зоны пластической деформации, на границе которой с упруго - деформированной областью при превышении критического усилия на абразивную частицу происходит образование и рост боковых трещин, ответственных за съём материала. Глубина залегания формируемых

при этом боковых трещин, , определяется глубиной образования

боковых трещин и выражается так:

= 2 а

\н.)

шв-ы

1 +

'н^

где в - угол конуса индентора.

Анализ этого выражения показывает, что глубина приповерхностного поврежденного слоя является линейной функцией среднего размера абразивных частиц, величины отношения модуля упругости к твёрдости обрабатываемого материала, фактора ангулярности абразивных частиц (пропорционален tan0 ) и некой константы, зависящей от соотношения твердостей обрабатываемого материала и рабочего инструмента (Н5/Нс).

Была также разработана модель процесса удаления материала с поверхности пластин при химико-механическом полировании на «мягком» полировальнике. В концепцию предложенной модели заложены большинство механических параметров, участвующих в процессе ХМП такие, как: концентрация суспензии, распределение размера абразива, тип окислителя и его концентрация, рН раствора, топография полировальника и его механические свойства (твердость и модуль упругости), топография пластины и ее механические свойства (твердость и модуль упругости), параметры процесса (давление, скорость вращения, температура суспензии, температура стола) и другие.

Заметили, что большинство исследователей механизма ХМП рассматривает химические эффекты и механические эффекты процесса отдельно. Однако последние работы зарубежных авторов говорят нам, что в этой области есть существенный сдвиг. Если раньше теоретически считалось, что полирование идет преимущественно химическое, то результаты последних экспериментов показывают обратное. При температуре суспензии 20°С реакция с поверхностью обрабатываемой пластины начинается только после 24 часов после ее обработки , а при 80°С - спустя 2 часа. Из этого следует, что химическая составляющая в ХМП незначительна, по сравнению с механической. Поэтому в данной работе сфокусировались на изучении механических эффектов, особенно обратили свое внимание на контактное трение в системе «абразив-пластина» и «абразив-полировальник».

В данной работе предложена модель, которая описывает взаимодействие между пластиной, полировальником и абразивными частицами, включая физические свойства всех рассматриваемых компонентов. Данная модель основывается на допущениях упругого контакта в системе «пластина-абразив» и «абразив-полировальник»,

предположениях о нормальном распределении абразивных частиц в суспензии и на периодичности шероховатости поверхности полирующего материала. Химическая и механическая составляющая полностью разделены в окончательном выражении.

MRRmass = р NVol removed +

w и

где р - плотность обрабатываемого материала, N - количество w

активных абразивных частиц, removed ' объем удаленного материала с поверхности пластины в единицу времени одной абразивной частицей и С -химическая составляющая процесса удаления материала с поверхности пластины.

Выразив все компоненты главного выражения через физические величины, получим окончательную формулу для определения скорости удаления материала с поверхности пластины:

/

MRR = С

1-Ф

3-CP'

№v

где С - р к А

2yjld рт D al

р КХ

- значение, отражающее

эффект «химической» составляющей суспензии, размера, плотности абразива в суспензии и твердость обрабатываемой пластины, упругие свойства материала полировальника и его шероховатость;

025(1)4x^3.)

' 1 2Л

— + —

С =■

н н

Ег

- значение, отражающее

«абразивной»эффект суспензии (средний размер и распределение абразива в суспензии), твердость обрабатываемого материала и

полировальника и шероховатость полировальника; Ф - стандартное

Значения С] и С2 не зависят от давления Р0 и относительной скорости V. Взаимодействие между химическими и механическими эффектами выражено через параметры Нт Нр и Ер (соответственно твердость пластины, полировальника и модуль упругости полировальника) в модели. Роль непосредственного «химического эффекта» в представленной модели характеризуется числом активных абразивных частиц в суспензии. Скорость удаления материала с поверхности находится в нелинейной зависимости от прилагаемого на пластину давления и зависит от функции плотности распределения размера абразивных частиц и упругой деформации полировальника.

В_четвертой_заключительной_главе_представлена

экспериментальная проверка и реализация результатов работы. Так были рассчитаны глубины повреждений для наиболее значимых материалов электронной техники при их многопроволочной резке и шлифовании свободным абразивом и проведена экспериментальная проверка.

Результаты расчётов представлены на рис. 3 для керамик (ниобат лития, сапфир), а также для германия и фосфида галлия. Все расчёты выполнены относительно кремния. Для того чтобы сохранить параболический характер зависимости глубины приповерхностных повреждений от среднего размера зерна абразива, за единицу была принята глубина повреждений в кремнии при среднем размере зерна абразива 50 мкм. Подобные расчёты были проведены и для фосфида галлия для операций многопроволочной резки и шлифования свободным абразивом. Эти расчёты также выполнены относительно кремния для удобства сравнения. Результаты расчётов представлены на рис. 4.

Также проверили применимость модели съема при химико-механическом полировании на примерах сапфира различной ориентации, кремния (100) и арсенида галлия. Результаты расчетов по предложенной модели свели в одну табл. 3. Рассчитывали скорость съема (нм/мин) для всех четырех материалов для «свежего»

(¡X

полировальника (0 циклов) и «изношенного» полировальника (18 -циклов). Для материала сравнения - кремния (100) найдено удовлетворительное согласие между рассчитанной по разработанной модели скорости съема - 390 нм/мин и экспериментально определенной - 400 нм/мин. Для всех четырех материалов наблюдали -23% уменьшение скорости съема по мере износа полировальника (18 -циклов).

Таблица 3

Расчетные данные по представленной модели_

Параметры А1203 (0001) А1203 (1012 ) Si(100) GaAs (111 )В

H (ГПа) 79,2 61.3 11,2 7,4

Е (ГПа) 401,4 292,8 132,8 108,4

Н/Е 0,19 0,21 0,08 0,07

§w (нм) 0,002 0,003 0,016 0,024

Ь„.с-(нм) 0,03 0,04 0,50 0,94

K J 8w 14,8 14,5 32,6 39,0

MRRthick. (нм/мин) 74 57 162 125 390 / / 300 479 370

0 циклор^*^'^ ^--■'ПГциклов

Эксперим. знач. скор, съема, нм/мин — — 400 —

Провели исследования подложек сапфира и арсенида галлия методом рентгеновской диагностики. Результатом

рентгенодифрактометрических исследований химико-механически полированных подложек сапфира с ориентацией поверхности (0001) и

(1012) и подложек GaAs ( 111 )В стало получение данных по физическому уширению КДО на полувысоте в абсолютных (угл.с) единицах (табл. 4 и 5). Физическое уширение КДО сапфира ориентации (0001) составляет 5.2 угл.с. для ХМП поверхности и 6.9 угл.с. для обратной шлифованной поверхности при глубине информативного слоя

4.9 мкм. Физическое уширение КДО сапфира ориентации (1012) составляет 5.0 угл.с. для ХМП поверхности и 11.8 угл.с. для обратной шлифованной поверхности при глубине информативного слоя 3.0 мкм.

Для ваАБ (111)В физическое уширение полированной поверхности составляет 24.2 угл.с. при глубине информативного слоя, равной 0.65

мкм.

Размер зерна абразива, мкм Рис. 3. Зависимости глубины приповерхностного поврежденного слоя в керамиках от размера зерна при шлифовании свободным абразивом остроугольной формы

1 - ШЬСЬ; 2 - Се (100); 3 - (100); 4 - (1102 )А1203 (г- плоскость);

5-(1120) АЪОз (а-плоскость); 6 - А1203 (поликристалл); 7 - (0001) А12Оз (с-плоскость), 8 - ваР (100) шлифовка

Подтверждением того, что после шлифования пластин сапфира карбидом бора зернистостью 20 мкм и, даже после ХМП, присутствуют существенные механические повреждения, являются секционные рентгенотопограммы.

Таблица 4

Физическое уширение КДО исследованных образцов сапфира

(ДКД, МоКИ[ - излучении, монохроматор, отр. 220)_

Образец Исследуемая сторона Отраж., 6Б Г™, мкм Физическое уширение КДО, угл.с.

, зксп ,ржч Кг -Кг Кп

(0001) 050 мм с -пл-ть А-ХМП 0006 6Е=9.5° 4,9 5.2 0,3"

В - шлифов. В4С, 20 мкм 6.9

(1012) 0100 мм г-пл-ть А-ХМП 2 024 еБ=11.8° 3,0 5.0 2.2"

В - шлифов В4С, 20 мкм 11.8

Размер зерна абразива, мкм

Рис. 4. Зависимости глубины приповерхностного поврежденного слоя в GaP(lOO) и GaP(l 11) от размера зерна абразива остроугольной формы при шлифовании и многопроволочной резке свободным абразивом 1 - GaP (100) шлифовка; 2 - GaP (111) шлифовка; 3 - GaP (100) многопроволочная резка; 4 - Si (100) шлифовка; 5 - GaP (111) многопроволочная резка

На рис. 5 а. представлена двухкристальная рентгенотопограмма (ДКРТ) на отражение в скользящей геометрии дифракции пластины сапфира ориентацией (0001), а на рис. 5 в. лауэ-топограмма на отражение этого же образца в синхротронном излучении (СИ).

Таблица 5

Физическое уширение КДО полированной поверхности GaAs (111 )В _(MoKgi - излучение, отр. 111)_

Поверхность Отражение, 6Б j рас ч экс * мкм Физическое уширение КДО, угл.с.

Кп -КТг к;:

Полированная 111В ^=6,25" 0,65 24,2 10,8

Видно, что дислокации располагаются в плоскости базиса и практически параллельно друг другу. Ориентировочные оценки плотности дислокаций дают значения 2-102 см"".

в) г)

Рис. 5. ДКРТ полированных поверхностей сапфира, вырезанных по плоскости базиса (а) и по плоскости ромбоэдра (б); яауэ - тона граммы на отражение тел же образцов в синхротроином излучении (СИ) (в) и (г) соответственно.

На Рис. рис. 5 б. приведена рентгенотопограмма, а на рис. 5 г. -лауэ-топограмма на отражение в СИ пластины сапфира с ориентацией

поверхности (1 012). Видно, что дислокации располагаются наклонно к исследуемой поверхности и четко визуализируются выходы дислокаций на поверхность («торчковые дислокации»). Плотность их составляет -.7*10" см'2.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Создали две модели абразивного износа, связанных с процессами хрупкого разрушения при МПР и ДСШ свободным абразивом. Первая модель позволяет рассчитать максимальную глубину проникновения медианных и радиальных трещин в материал при воздействии абразива остроугольной формы на поверхность обрабатываемого материала. Вторая модель позволяет рассчитать размер зоны пластической деформации, на границе которой с упруго-деформированной областью при превышении критического усилия на абразивную частицу происходит образование и рост боковых трещин, ответственных за съем материала. Расчетные данные хорошо коррелируют с экспериментальными значениями.

2. Определили методики экспериментальных исследований механических свойств и структуры приповерхностных нарушенных слоев обрабатываемых и обрабатывающих материалов. Для оценки дефектности приповерхностных слоев применили метод двухкристальной рентгеновской дифрактометрии по физическому уширению кривых дифракционного отражения на половине высоты дифракционного пика Для визуализации структуры приповерхностного слоя использовали секционную рентгеновскую топографию. Для определения механических свойств материалов использовали метод непрерывного вдавливания индентора.

3. Методами секционной рентгеновской топографии, двухкристальной рентгеновской топографии в скользящей геометрии дифракции, а также Лауэ-топографии на отражение в синхротронном излучении исследовали реальные подложки

сапфира ориентации (0001) (с - плоскость) и (1012) (г -

плоскость), структуры КНС на подложке сапфира (1012). Для пластин сапфира ориентации (0001) следует, что дислокации располагаются в плоскости базиса и практически параллельны друг другу. Ориентировочные оценки плотности дислокаций дают значение -2*10 см2 для направления роста (0001). Для

пластин сапфира с ориентацией поверхности (1012) дислокации располагаются наклонно к исследуемой

поверхности и четко визуализируются выходы дислокаций на поверхность («торчковые дислокации»). Плотность таких дислокаций составляет ~7*104 см2.

4. Используя ориентационную матрицу индицирования лауэ-топограмм «Orient Express» провели расчет реальных лауэ-топограмм полученных на синхротронном источнике излучения «Сибирь-2» РНЦ «Курчатовский Институт». С помощью данной методики провели экспрессную аттестацию структурного совершенства подложек сапфира ориентации

(0001) и (1012).

5. Используя методику непрерывного микроиндентирования впервые определили механические свойства арсенида галлия

(111 )В, а также сапфира ориентации (0001) и (1012). Были получены следующие результаты: Е=108.4 ГПа и Н=7.4 ГПа

для GaAs (111)В, Е=401.4 ГПа и Н=79.2 ГПа для сапфира

ориентации (0001) и Е=292.8 ГПа и Н=61.3 ГПа - для (1012).

6. Рассчитали коэффициент трещиностойкости, К1с, пластин

сапфира ориентации (0001) и (1012). Получено, что для пластин сапфира с ориентацией поверхности (0001) К!с=5.5

МПа*мш, а для ориентации (1012) - 6.5 МПа*мш. Для структур кремния на сапфире (КНС) получено значение Kic=1.4 МПа*м .

7. Рассчитали глубины приповерхностных повреждений для германия, фосфида галлия, сапфира и ниобата лития при шлифовании и многопроволочной резке относительно кремния, как основного материала микроэлектроники. В ниобате лития и германии глубина приповерхностных повреждений при шлифовании примерно в 1.65 и 1.33 раза больше соответственно, чем у кремния. В сапфире глубина приповерхностных повреждений при его шлифовании по

плоскости (0001) (с - плоскость), (1012) (r-плоскость) и (11 2 0) (а - плоскость) составляет 0.50, 0.71 и 0.68 соответственно от глубины приповерхностных повреждений в кремнии. Подобные расчёты были проведены и для фосфида галлия для операций

многопроволочной резки и шлифования свободным абразивом. Глубина повреждений в фосфиде галлия с ориентацией поверхности реза по плоскости (100) после многопроволочной резки практически совпадает с глубиной повреждений в Si (100) после шлифования свободным абразивом. Глубина повреждений в фосфиде галлия с ориентацией поверхности реза по плоскости (111) составляет 0,91 от глубины повреждений в Si (100) после шлифования свободным абразивом. Налицо анизотропия глубины повреждений в фосфиде галлия при многопроволочной резке свободным абразивом для монокристаллов, выращенных в направлениях <100> и <111>. Как и для многопроволочной резки свободным абразивом глубина повреждений при шлифовании фосфида галлия свободным абразивом по плоскости (100) больше, чем по плоскости (111) в соотношении 1,39 к 1,27.

8. Используя методику непрерывного микроиндентирования впервые определили изменение модуля Юнга и истинной твердости верхнего пористого слоя полировальников «Ciegal-7355-000FM» в процессе их износа при ХМП: в исходном состоянии (0 циклов ХМП) и после проведения 18ти циклов процесса ХМП. Обнаружено, что после проведения 18ти циклов процесса ХМП модуль Юнга несколько вырос с 6.0 МПа до 9.2 МПа. Истинная твердость также выросла с 0.93 МПадо 1.53 МПа.

9. Основываясь на допущениях упругого контакта в системах «пластина-абразив» и «полировальник-абразив», нормального распределения размера абразива и периодичности шероховатости поверхности полировальника, разработана модель прогнозирования съема материала с поверхности обрабатываемого материала мягким полировальником в процессе ХМП. Предложенная модель предполагает интеграцию не только параметров собственно ХМП (давление, скорость), но также и остальных важных входных параметров, включая твердость пластины (Hw), модуль упругости и твердость полировальника (Ер и Hp), шероховатость полировальника, средний размер и отклонение от среднего размера абразивной частицы.

10. Разработанная модель процесса удаления материала с поверхности пластины при ХМП была подтверждена на

примере использования мягкого полировальника типа «Ciegal-7355-000FM» для полирования пластин сапфира ориентации

(0001) и (1012), кремния ориентации (100) и арсенида галлия

(111)В. Рассчитывали скорость съема (нм/мин) для всех четырех материалов для «свежего» полировальника (0 циклов) и «изношенного» полировальника (18 - циклов). Для материала сравнения - кремния (100) найдено удовлетворительное согласие между рассчитанной по разработанной модели скорости съема - 390 нм/мин и экспериментально определенной - 400 нм/мин. Для всех четырех материалов наблюдали -23% уменьшение скорости съема по мере износа полировальника (18 — циклов).

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. A.A. Britvin, M.Yu. Litvinov, Yu.M. Litvinov, S.P. Yakovlev. Prediction of subsurface's depth in silicon wafers formed during loose abrasive lapping process. // 8-th Scientific and Business Conference, (Silicon-2002), Roznov pod Radhostem, Czech Republic, 2002, pp. 160- 169

2. A.A. Бритвин, М.Ю. Литвинов, Ю.М. Литвинов, O.B. Мальвинова, И.А. Хуснетдинов. Прогнозирование глубины приповерхностных повреждений в материалах электронной техники при их обработке свободным абразивом. // «Электронная Промышленность», Москва, 2003, том. 3, стр. 97-101

3. A.A. Бритвин, М.Ю. Литвинов, Ю.М. Литвинов. Разрушение и глубина приповерхностных повреждений возникающих в пластинах сапфира при его обработке свободным абразивом. // «Вестник Тамбовский Университет.», Тамбов, 2003, том. 8, вып. 4, стр. 686-688

4. A.A. Бритвин, Ю.М. Литвинов. Разрушение и глубина приповерхностных повреждений, возникающих в пластинах сапфира при его обработке свободным абразивом. // Тез. докл. III Международной конференции «Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений» (MPFP) на базе XLI

Международного семинара «Актуальные проблемы прочности», Тамбов, 2003, стр. 220-221

5. А.А. Бритвин, Ю.М. Литвинов, С.П. Яковлев. Анизотропия механических свойств кристаллов сапфира и ее влияние на анизотропию нарушений в пластинах сапфира при их обработке свободным абразивом. // Тез. докл. Второй Международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», Москва, 2003, стр. 37-38

6. А.А. Арендаренко, А.А. Бритвин, М.Ю. Литвинов, Ю.М. Литвинов, В.Н. Скворцов, И.А. Хуснетдинов, И.Н. Цыпленков. Неоднородность механических свойств монокристаллов GaP(lll) и ее влияние на процессы резания. // Сборник трудов девятой Международной научно-технической конференции, Дивноморское, Россия, 2004, стр. 189-191

7. А.А. Бритвин, А.А. Раскин, Ю.М. Литвинов, В.Ф. Павлов. Рентгеновская диагностика подложек сапфира и структур кремний на сапфире. // Материалы X Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России (Материалы и устройства функциональной электроники и микрофотоники)», Москва, 2004, стр. 242-246

8. А.А. Britvin, Yu. M. Litvinov, V.F. Pavlov, V.D. Chumak. X-ray diagnostic of sapphire wafers and silicon-on-sapphire structures. // Тез. докл. Второго научного семинара с международным участием «Современные методы анализа дифракционных данных», Великий Новгород, 2004, стр. 48-50

9. А.А. Бритвин, Ю.М. Литвинов, В.Ф. Павлов, С.П. Яковлев. Рентгеновская дифрактометрия и топография механически обработанных пластин сапфира различной ориентации. // Тез. докл. IV Национальной конференции по применению рентгеновского, синхротронного излучений, нейтронов и электронов для исследования материалов., Москва, ИК РАН, 2003, стр. 319

10. А.А. Бритвин, Ю.М. Литвинов, В.Ф. Павлов. Рентгеновские методы аттестации пластин сапфира и структур кремний на сапфире. // Тез. докл. «Кремний - 2004», Иркутск, 2004, стр. 114

A.A. Britvin, M.Yu. Litvinov, Yu.M. Litvinov. Forecast of near-surface damages in silicon and other hard materials during their multi-wire-sawing and lapping using loose abrasive // 9-th Scientific and Business Conference, (Silicon-2004), Roznov pod Radhostem, Czech Republic, 2004, pp. 13 - 20

A.A. Бритвин, М.Ю. Литвинов, Ю.М. Литвинов. Хрупкое разрушение и поверхностные повреждения возникающие в пластинах кремния и других твердых материалов при их многопроволочной резке и шлифовании свободным абразивом. // Тез. докл. XV Петербургские чтения по проблемам прочности, Санкт - Петербург, 2005, стр. 124

A.A. Бритвин, A.M. Яриков. Математическое моделирование механизма удаления материала с поверхности пластины при химико-механическом полировании. // Тез. докл. 12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика -2005», Москва, Зеленоград, 2005, стр. 9

A.A. Бритвин, A.A. Раскин, Ю.М. Литвинов Математическое моделирование механизма удаления материала с поверхности пластины при химико-механическом полировании. II Материалы XI Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России (Материалы и устройства функциональной электроники и нанофотоники)», Москва, 2005, стр. 297-304

A.A. Бритвин, Литвинов Ю.М., Литвинов М.Ю, Скворцов В.Н. Механические свойства пластин сапфира, ориентированных по

плоскостям (0001) и (1012). // Сборник тезисов XVI Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, 2006, стр. 112

A.A. Бритвин, Литвинов Ю.М., Литвинов М.Ю, Скворцов В.Н. Определение механических свойств верхнего пористого слоя полировальника методом непрерывного микроиндентирования. // Сборник тезисов XVI Международной конференции «Физика прочности и пластичности материалов», Самара, 2006, стр. 113

Подписано в печать: Заказ № АТираж 100 Экз. Уч.-изд.л. Формат 60ч84 1/16. Отпечатано в типографии МИЭТ 124498, Москва, МИЭТ

Введение.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ И МЕХАНИЗМОВ УДАЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА С ПОВЕРХНОСТИ ПЛАСТИН ПРИ ИХ ОБРАБОТКЕ СВОБОДНЫМ АБРАЗИВОМ. Equation Chapter (Next) Section 1.

1.1. Абразивный износ, связанный с процессами хрупкого разрушения при многопроволочной резке и двухстороннем шлифовании свободным абразивом.

1.2. Абразивный износ, связанный с упруго-пластической деформацией поверхности, при химико-механическом полировании.

1.3 Обзор моделей процессов механической обработки пластин (ХМП) полупроводниковых и диэлектрических материалов.

1.4 Выводы.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И СТРУКТУРЫ ПРИПОВЕРХНОСТНЫХ НАРУШЕННЫХ СЛОЕВ ОБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ.

2.1 Рентгеновские методы исследования структуры приповерхностных слоев обрабатываемых материалов.

2.1.1 Двукристальная дифрактометрия.

2.1.2 Секционная рентгеновская топография (СРТ).

2.1.3 Рентгеновская топография в скользящей геометрии дифракции.

2.1.4 Исследования на синхротронных источниках рентгеновского излучения.

2.2 Разработка метода рентгеновской диагностики подложек сапфира на синхротронном излучении.

2.3 Метод непрерывного вдавливания индентора. Основы метода и возможности применения в микроэлектронике.

2.4 Определение механических свойств арсенида галлия (111)В и сапфира с ориентацией (0001) и (1012) методом непрерывного вдавливания индентора.

2.5 Определение трещиностойкости в пластинах сапфира различной ориентации (0001) и (1012) и кремния на сапфире (КНС).

2.6 Определение изменений твердости и модуля Юнга верхнего пористого слоя используемых полировальников в процессе их износа при химико-механическом полировании.

2.7 Определение изменений структуры полировальников в процессе их износа при химико-механическом полировании методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ).

2.8 Выводы.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ПЛАСТИН ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ СВОБОДНЫМ АБРАЗИВОМ.

3.1 Моделирование процессов удаления материала с поверхности пластин при их многопроволочной резке и двухстороннем шлифовании свободным абразивом.

3.2 Моделирование процесса удаления материала с поверхности пластин при химико-механическом полировании на «мягком» полировальнике.

3.2.1 Контактная модель в ХМП.

3.2.2 Полировальник и его поры.

3.2.3 Деформация в системе "пластина-частица" и "полировальник-частица"

3.2.4 Нормальное распределение размеров абразивных частиц.

3.2.5. Скорость удаления материала с поверхности пластины.

3.3 Выводы.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

4.1 Расчеты глубины повреждений для наиболее значимых материалов электронной техники при многопроволочной резке и шлифовании свободным абразивом и их экспериментальная проверка.

4.2 Экспериментальная проверка применимости модели съема при химико-механическом полировании на примерах сапфира и арсенида галлия.

4.3 Исследование подложек сапфира и арсенида галлия методом рентгеновской диагностики.

4.3.1 Исследование подложек сапфира и структур кремния на сапфире

4.3.2. Исследование подложек арсенида галлия (111 )В на двухкристальном дифрактометре.

4.4 Выводы.

За последние несколько лет в промышленной микроэлектронике произошло существенное увеличение номенклатуры материалов электронной техники (AI2O3, полупроводниковые соединения AmBv, SiC, LiNbCb, Ge и другие). По мере повышения требований к качеству пластин, уменьшения размеров элементов и увеличения степени интеграции СБИС, сопровождающихся уменьшением толщины подзатворного диэлектрика до нескольких нанометров, структура приповерхностного слоя, границы раздела и поверхности пластин начинают оказывать определяющее влияние на характеристики подзатворного диэлектрика. Наряду с этим, одними из основных дефектов исходных пластин, являются механические повреждения, возникающие в течении всех технологических процессов механической обработки материалов электронной техники, начиная с дисковой резки, заменяемой в последнее время на многопроволочную резку (МПР) свободным абразивом и заканчивая химико-механическим полированием (ХМП). Механическая обработка пластин на любом из этапов, начиная с этапа резки, заключается во взаимодействии абразивных частиц с приповерхностными слоями материала и отводе образующихся продуктов взаимодействия из активной зоны. Задача любого последующего после резки технологического процесса обработки - удаление нарушений, возникших на предыдущих этапах обработки и получение плоской, свободной от механических повреждений поверхности. Параметры плоскостности закладываются на операциях шлифования свободным или связанным абразивом, а остаточные приповерхностные повреждения должны удаляться на последующих операциях щелочного или кислотного травления и ХМП. Благодаря относительно недавнему внедрению современного способа обработки материала, такого как МПР свободным абразивом, предполагается в дальнейшем исключить операцию двухстороннего шлифования (ДСШ) свободным абразивом из технологического процесса, как источника внесения дополнительных механических повреждений в пластину.

Однако пока процесс МПР не до конца изучен и после его внедрения в производство были обнаружены существенные присущие этому методу недостатки. Так предварительные исследования и литературные данные показывают, что после многопроволочной резки монокристаллов кремния на пластины на последних остается макрорельеф, амплитуда которого достигает 10 мкм, а по отдельным данным - 30 мкм. Таким образом, пока все равно требуется дополнительная операция планаризации поверхности с использованием ДСШ перед последующей операцией ХМП.

Исходя из вышесказанного следует, что перед каждым технологическим процессом обработки материала нам нужно знать конечный результат используемого процесса для его согласования с последующими процессами съема. Для сокращения сроков разработки новых и усовершенствования прежних процессов механической обработки нам нужно иметь модельные представления каждого из технологических процессов, начиная от процесса МПР свободным абразивом и заканчивая ХМП. Полученные спрогнозированные данные могут быть использованы для оптимизации технологических процессов, при условии, что известны или измерены такие параметры обрабатываемого и обрабатывающего материала, как модуль упругости, твердость, трещиностойкость, а также форма и размер зерна применяемого абразива. Использование этих данных позволяет построить наиболее экономичный размерный ряд обработки различных материалов электронной техники.

Целью диссертационной работы является разработка моделей процессов съема материала с пластин свободным абразивом, с учетом которых можно будет строить экономичный размерный ряд обработки различных материалов электронной техники

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 1. Используя ориентационную матрицу индицирования лауэ-топограмм «Orient Express» провели расчет реальных лауэ-топограмм полученных на синхротронном источнике излучения «Сибирь-2» РНЦ «Курчатовский Институт». С помощью данной методики провели экспрессную аттестацию структурного совершенства подложек сапфира ориентации (0001) и (1012).

2. Используя методику непрерывного микроиндентирования впервые определили механические свойства арсенида галлия (111)В, а также сапфира ориентации (0001) и (1012). Были получены следующие результаты: Е=108.4 ГПа и Н=7.4 ГПа для GaAs (Ш)В, Е=401.4 ГПа и Н=79.2 ГПа для сапфира ориентации (0001) и Е=292.8 ГПа и Н=61.3 ГПа-для(1012).

3. Рассчитали коэффициент трещиностойкости, Кк, пластин сапфира ориентации (0001) и (1012). Получено, что для пластин сапфира с ориентацией поверхности (0001) Kic=5.5 МПа*мш, а для ориентации

I/O

1012) - 6.5 МПа*м . Для структур кремния на сапфире (КНС) получено значение Kic=1.4 МПа*мш.

4. Рассчитали глубины приповерхностных повреждений для германия, фосфида галлия, сапфира и ниобата лития при многопроволочной резке и шлифовании относительно кремния, как основного материала микроэлектроники. В ниобате лития и германии глубина приповерхностных повреждений при шлифовании примерно в 1.65 и 1.33 раза больше соответственно, чем у кремния. В сапфире глубина приповерхностных повреждений при его шлифовании по плоскости

0001) (с - плоскость), (1012) (r-плоскость) и (1120) (а - плоскость) составляет 0.50, 0.71 и 0.68 соответственно от глубины приповерхностных повреждений в кремнии. Подобные расчёты были проведены и для фосфида галлия для операций многопроволочной резки и шлифования свободным абразивом. Глубина повреждений в фосфиде галлия с ориентацией поверхности реза по плоскости (100) после многопроволочной резки практически совпадает с глубиной повреждений в Si (100) после шлифования свободным абразивом. Глубина повреждений в фосфиде галлия с ориентацией поверхности реза по плоскости (111) составляет 0,91 от глубины повреждений в Si (100) после шлифования свободным абразивом. Налицо анизотропия глубины повреждений в фосфиде галлия при многопроволочной резке свободным абразивом для монокристаллов, выращенных в направлениях <100> и <111>. Как и для многопроволочной резки свободным абразивом глубина повреждений при шлифовании фосфида галлия свободным абразивом по плоскости (100) больше, чем по плоскости (111) в соотношении 1,39 к 1,27.

5. Используя методику непрерывного микроиндентирования впервые определили изменение модуля Юнга и истинной твердости верхнего пористого слоя полировальников «Ciegal-7355-ОООЕМ» в процессе их износа при ХМП: в исходном состоянии (0 циклов ХМП) и после проведения 18™ циклов процесса ХМП. Обнаружено, что после проведения 18ш циклов процесса ХМП модуль Юнга несколько вырос с 6.0 МПа до 9.2 МПа. Истинная твердость также выросла с 0.93 МПа до 1.53 МПа.

6. Основываясь на допущениях упругого контакта в системах «пластина-абразив» и «полировальник-абразив», нормального распределения размера абразива и периодичности шероховатости поверхности полировальника, разработана модель прогнозирования съема материала с поверхности обрабатываемого материала мягким полировальником в процессе ХМП. Наша модель предполагает интеграцию не только параметров собственно ХМП (давление, скорость), но также и остальных важных входных параметров, включая твердость пластины (Hw), модуль упругости и твердость полировальника (Ер и Нр), шероховатость полировальника, средний размер и отклонение от среднего размера абразивной частицы.

7. Разработанная модель процесса удаления материала с поверхности пластины при ХМП была проверена на примере использования мягкого полировальника типа «Ciegal-7355-OOOFM» для полирования пластан сапфира ориентации (0001) и (1012), кремния ориентации (100) и арсенида галлия (111 )В. Рассчитывали скорость съема (нм/мин) для всех четырех материалов для «свежего» полировальника (0 циклов) и «изношенного» полировальника (18 - циклов). Для материала сравнения - кремния (100) найдено удовлетворительное согласие между рассчитанной по разработанной модели скорости съема - 390 нм/мин и экспериментально определенной - 400 нм/мин. Для всех четырех материалов наблюдали примерно одинаковое уменьшение скорости съема по мере износа полировальника (18 -циклов).

8. Методами секционной рентгеновской топографии, двухкристальной рентгеновской топографии в скользящей геометрии дифракции, а также Лауэ-топографии на отражение в синхротронном излучении исследованы реальные подложки сапфира ориентации (0001) (с -плоскость) и (1012) (г - плоскость), структуры КНС на подложке сапфира (1012). Для пластин сапфира ориентации (0001) следует, что дислокации располагаются в плоскости базиса и практически параллельны друг другу. Ориентировочные оценки плотности дислокаций дают значение ~2*102 см"2 для направления роста (0001). Для пластин сапфира с ориентацией поверхности (1012) дислокации располагаются наклонно к исследуемой поверхности и четко визуализируются выходы дислокаций на поверхность («торчковые дислокации»). Плотность таких дислокаций составляет см .

После наращивания слоя кремния на ХМП поверхность сапфира ориентации (1012) на секционных рентгенотопограммах возрастает контрастность изображения деформированных приповерхностных слоев (КНС - структуры). Для GaAs (111)В физическое уширение полированной поверхности составляет 24.2 угл.с. при глубине информативного слоя, равной 0.65 мкм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Подложки арсенида галлия и фосфида галлия являются началом длинного пути превращения пластин в интеллектуальный продукт. Их качество, в том числе дефектность собственно монокристаллов и приповерхностных слоев подложек, во многом определяют возможности достижения поставленной цели.

Информация о нарушениях приповерхностных слоев подложек, возникающих при химико-механическом полировании в действующем производстве, была получена по исключительному благоприятствованию и поддержке сотрудников РНЦ «Курчатовский Институт», Института Машиноведения РАН и ГИРЕДМЕТ. Это позволило не только существенно дополнить картину явлений, происходящих при этом виде обработки, но и дает надежду на повышение качества и выхода годных изделий в производстве микро-, опто- и акусто - электронных устройств. В работе изучалась одна из составляющих процесса ХМП - силовое воздействие на поверхность наночастиц диоксида кремния на заключительной (финишной) стадии полирования на полировальнике «Ciegal-7355-OOOFM». Результаты исследования изложены ниже как общие выводы.

1. Концевой Ю.А., Литвинов Ю.М., Фаттахов Э.А. Пластичность и прочность полупроводниковых материалов и структур. - М.: Радио и связь, 1982-240 с.

2. Н. А. Большаков, Ю.М. Литвинов, А.А. Раскин, С.П. Яковлев. Новое в технологии обработки пластин кремния большого диаметра для изготовления СБИС // Зарубежная электронная техника 2000, №4 (430), с. 17-29.

3. Lambropoulos J., Xu S., Fang Т., "Loose abrasive lapping hardness of optical glasses and its interpretation", Applied Optics, 36 (7), pp. 1501-1516,1997 v

4. A.G. Evans, T.R. Wilshaw. Quasi-static solid particle damage in brittle solids. I. Observation, analysis and implications. // Acta Metallurgica 1976, Vol. 24, № 10, pp. 939-956.

5. Буренков Ю.А., Никаноров С.П., // Физика твердого тела, 1984. т. 26. вып.1 I.e. 3224-3232. .

6. Zhao В., Shi F. G. Chemical mechanical polishing: Threshold pressure and mechanism. Electrochem. Solid-State Lett. 1999, v.2 No. 3, pp. 145-147

7. Basim G.B., Adler J.J., Mahajan U., Siugh R.K., Mondgil B.M. Effect particle size of chemical mechanical polishing slurries for enhanced polishing with minimal defects. J. Electrochem. Soc. 2000, v. 147, No.9, pp. 3523-3528

8. Alekseev N. M., Goldstein R.V., Osipenko N.M. Izv. AN SSSR. Mekhanika Tverdogo Tela. 1992, v.27., No.5, pp. 134-143

9. Goldstein R.V., Osipenko N. M. Fracture aspects of the chemical mechanical polishing. Abstr. Of the Euromech colloquium 418 "Fracture Aspects in Manufacturing", 25-29 Sep. 2000, Moscow, p. 18.

10. Liu W., Dai В., Tseng W., Yeh C., "Modelling of the wear mechanism during chemical-mechanical polishing", J. Electrochem. Soc., 143 (2), pp. 716 721, 1996

11. Brown N. J., Baker P. C., Maney R. Т., 1981, "Optical polishing of metals", Proc. SPIE, vol.306, pp. 42-57

12. Preston F. W., "The theory and design of plate glass polishing machines", J. Soc. Glass Technology, 1927, vol.11, pp. 214-256

13. A.A. Бритвин, Ю.М. Литвинов, В.Ф. Павлов. Рентгеновские методы аттестации пластин сапфира и структур кремний на сапфире. // Тез. докл. «Кремний 2004», Иркутск, 2004, стр. 114

14. Cook L.M., "Chemical processes in glass polishing", J. Non-Crystaline Solids, vol. 120, pp. 152-171

15. Yu T-K., Yu С. C., Orlowski M., "A statical polishing pad model for chemical-mechanical polishing", 1993, Proc. IEEE Int. Electron Dev, pp. 865868.

16. Макаров A.C., Неустроев C.A., Литвинов Ю.М., Литвинов М.Ю. Атомный механизм процесса химико-механического полирования // Известия ВУЗов. Электроника. 2000, № 3, с. 34-37

17. Горелик С.С., Скаков Ю.А., Расторгуев Л.Н. Рентгенографический и электронно-оптический анализ: Учебное пособие для вузов. М: МИСИС, 1994, - 328с.

18. A.M. Афанасьев, П.А. Александров, P.M. Имамов. Рентгенодифракционная диагностика субмикронных слоев. М., Наука, -1989, 152с.

19. Д.К. Боуэн, Б.К. Таннер Высокоразрешающая рентгеновская дифрактометрия и топография — М.: Наука, 2002. — 275

20. Н. Shiwaku, К. Hyodo, M.Ando. X-ray characterization of lapped surface Siand Ge single crystals at 33.17 keV. Jap. J. Appl. Phys. Pt.2, 1991, v.31, pp.2065-2067.

21. Павлов В.Ф. Отчет по НИР "Разработка неразрушающей рентгенотопографической методики оценки структурного совершенства тонких мембранных композиций". М., ГИРЕДМЕТ 1994, 51 с.

22. Отчет по НИР «Разработка прецизионных рентгеновских методов контроля и мониторинг технологических процессов подготовки пластин кремния диаметром 150 мм» 4.1. ГИРЕДМЕТ, М.,1998,- с.44.

23. Tuomi Т., Naukkarinen К., Rabe P. Phys. Stat Sol. (а). 1974. Vol. 25. P. 93 -99.

24. Hart M. J. Appl. Crystallogr. 1975. Vol. 8. P. 436-442.

25. Сагателян Г.Р., Шульга В.Г., Хохлов А.И. Минимизация формируемой на операции одностороннего полирования разнотолщинности тонких кремниевых пластин // Вестник МГТУ, Сер. Приборостроение, 1995, №3, с. 109-120

26. Chen Q.M., McNally P.J., Shvyd Yu.V., Tuomi Т., Danilewsky A.N., Lerche M. J. Dislocation analysis for heat-exchanger method grown sapphire with white beam synchrotron X-ray topography // J. Crystal Growth. 2003. 252, 103 113

27. Sheremetyev LA., Turbal A.V., Litvinov Yu.M, Mikhailov M.A. Computer deciphering of Laue patterns: application to white beam synchrotron X-ray topography. // Nucl. Instrum. and Meth. in Phys. Res. 1991. A308, 447

28. Бритвин A.A, Литвинов М.Ю., Литвинов Ю.М., Мальвинова O.B., Хуснетдинов И.А. Прогнозирование глубины приповерхностных повреждений в материалах электронной техники при их обработке свободным абразивом. //Электронная промышленность. 2003. В.З, с. 97101

29. Булычев СИ., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. М.: Машиностроение, 1990. - 224с

30. Bhushan В., in: «Handbook of Micro/Nano Tribology», edited by B. Bhushan (CRC Press, Boca Raton London, New York, Washington. 2001). Chap. 10. P. 434-523

31. Fischer-Cripps A.C. Nanoindentation. Springer Verlag, New York, 2002.

32. Алехин В.П., Литвинов М.Ю., Литвинов Ю.М., Скворцов В.Н. // Известия ВУЗов. Материалы электронной техники. 2000. № 3.

33. Oliver W.C., Pharr G.M. // J. Mater. Res. 1992. V. 7, No.6. P. 1564-1583

34. Sakai M. // Acta metall. Mater. 1993. V. 41. No.6, pp. 1751-1758

35. Levinstein M., Rumyantsev, Shur M. "Handbook Series in Semiconductor Parameters." World Sceintific, London, 1999

36. Ericson F., Schwetz J.-A., in "Handbook of Micro/Nano Tribology", edited by B.Bhushan (CRC Press, Boca Raton, London, New York, Washington) 2001. Chap. 15. p. 763-795.

37. Капкин Д.В., Литвинов Ю.М., Литвинов М.Ю., Скворцов В.Н. // Труды Седьмой Межд. Научно-Техн. Конференции "Актуальные Проблемы Твердотельной Электроники и Микроэлектроники", ч. 1, Таганрог, Россия, 2000. С. 157-159

38. Литвинов М.Ю., Скворцов В.Н., Алехин В.П., Литвинов Ю.М. // Известия ВУЗов. Материалы Электронной Техники. 2001. № 3. С. 13-15.

39. Bujis М., Korpel van Houten К. // J. Mater. Sci. 1993. V. 28. No. 15. P. 3015-3020.

40. Suresh S„ Giannakopoulos A.E. // Acta mater. 1998. V. 46. No. 16. P. 57555767.

41. A.A. Бритвин, М.Ю. Литвинов, Ю.М. Литвинов. Разрушение и глубина приповерхностных повреждений возникающих в пластинах сапфира приего обработке свободным абразивом. // «Вестник Тамбовский Университет.», Тамбов, 2003, том. 8, вып. 4, стр. 686-688

42. Pizani P.S., Lanciotti F., Jasinevicius R.G., Duduch J.G., Porto A.J. // J. AppLPhys. 2000. V. 87. No.3. P. 1280-1283

43. Zhang L., Zarudi I. // Internat. J. of Mech. Sci. 2001. V. 43. № 9. P. 19851996.

44. Литвинов Ю.М., Литвинов М.Ю. // Изв. вузов. Материалы электронной техники, 2004. №4. С.11 -16.

45. Бритвин А.А., Яриков A.M. Тезисы докладов 12м Всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика 2005" - Москва, 2005. С.9.

46. Patriarche G., Lе Bourhis Е., Largeau L., Riviere J. P. // Phus. stat. sol. (c). 2005. V.2. № 6. P. 2004 - 2009

47. D. Castillo Mejia, S. Gold, V. Burrows, S. Berundoin. // J. Electrochem. Soc. 2003. V. 150. №2. P. g76 - g82

48. S. Deshpand, S. Dakshinamurthy, S.C. Kuiry, R. Vaidyanathan, Y.S. Obeng, S. Seal. // Thin Solids Films. 2005. V. 483. №1 2. P. 261 - 269.

49. Колесников Ю.В., Морозов E.M. // Механика контактного разрушения. -М.: Наука, 1989.-224с.

50. Lambropoulos J. С., Xu S., Fang T. // Appl. Optics. 1997. V. 36. № 7. P. 15011516.

51. Roberts S. G. // Scripta Mater. 1999. V. 40. № 1. P. 101-108.

52. C.B. Ponton and R.D. Rawlings, Mater. Sci. Technol. 5, 865 (1989).

53. C.B. Ponton and R.D. Rawlings, Mater. Sci. Technol. 5, 961 (1989).

54. B.R. Lawn, A.G. Evans, and D.B. Marshall, J. Am. Ceram. Soc. 63, 574 (1980)

55. G.R. Anstis, P. Chantikul, B.R. Lawn, and D.B. Marshall, J. Am. Ceram. Soc.64, 533 (1981)

56. Литвинов Ю.М., Литвинов М.Ю., Мальвинова O.B., Хуснетдинов И.А.,

57. Яковлев С.П. //Труды Восьмой Международной Научно Технической Конференции «Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники» - Таганрог, Россия. 2002. 4.1. с. 163 - 166

58. Алёхин В.П., Литвинов М.Ю., Литвинов Ю.М., Скворцов В.Н. //Тезисыдокладов Всероссийской конференции «Дефекты структуры и прочность кристаллов» Черноголовка, Россия. 2002. с. 191

59. Britvin А.А., Litvinov M.Yu., Litvinov Yu.M., Yakonlev S.P. // The 8th

60. Scientific and Business Conference (Silicon -2002).-Roznov pod Radhostem, Czech Republic. 2002. P. 160-169.

61. Литвинов МЮ, Скворцов B.H., Алехин В П., Литвинов Ю.М.

62. Определение трещиностойкости хрупких материалов с помощью метода непрерывного вдавливания индентора Изв вузов. Материалы электронной техники. 2001, вып.З с. 13-15

63. V.H. Bulsara, Y.Ahn, S.Chandrasecar, T.N. Farris. Mechanics of polishing.

64. Trans. ASME. J. Appl.Mech-1998, vol. 65, No.2, pp.410-416.

65. Scott A. Gold, V.A. Burrows "Interaction of water with silicon dioxide at lowtemperature relevant to CMP" Electrochemical and Solid-State Letters, 7 (12) G295-G298 (2004)

66. S. R. Runnels and L. M. Eyman, "Physical modeling of CMP fluid flowanalysis," Sematech Rep., 1993.

67. D. Wang, J. Lee, К. Holland, Т. Bibby, S. Beaudoin, and T. Cale, "Von misesstress in chemical-mechanical polishing processes," J. Electrochem. Soc., vol. 144, pp. 1121-1127,(1997). t,

68. Y. Moon, "Mechanical aspects of the material removal mechanism in chemicalmechanical polishing (CMP)," Ph.D. dissertation, Department of Mechanical Engineering, University of California at Berkeley, Berkeley, CA, USA, 1999.

69. W. T. Tseng and Y. L. Wang, "Re-examination of pressure and speeddependence of removal rate during chemical-mechanical polishing processes," J. Electrochem. Soc., vol. 144, pp. L15-L17, (1997). A

70. К. Рак, Y. R. Park, U.-I. Chung, Y. В. Koh, and M. Y. Lee, "A CMP processusing a fast oxide slurry," in Proc. Second Int. Chemical-Mechanical Planarization for ULSI Multilevel Interconnection Conf., Santa Clara, С A, 1997, pp. 299-306.

71. J. A. Greenwood and J. B. Williamson, "Contact of nominally flat surfaces,"

72. Proc. Royal Soc. London A, vol. 295, pp. 300-319, 1966.

73. K. L. Johnson, Contact Mechanics. Cambridge, MA: Cambridge University1. Press, 1985.

74. В. Zhao and F. G. Shi, "Chemical mechanical polishing in 1С processes: Newfundamental insights," in Proc. Fourth Int. Chemical-Mechnical Planarization for ULSI Multilevel Interconnection Conf, Santa Clara, CA, Feb. 11-12, 1999, pp.13-22.

75. F. Zhang, A. A. Busnaina, and G. Ahmadi, "Particle adhesion and removal inchemical mechanical polishing and post-CMP cleaning," J. Electrochem. Soc., f vol. 146, pp. 2665-2669, 1999

76. Т. Bifano, Т. A. Dow, and R. О. Scattergood, "Ductile-regime grinding: A newtechnology for machining brittle materials," ASME Trans. J. Eng. Industry, vol. 113, pp. 184-189,1991.

77. R. Chauhan, Y. Ahn, S. Chandrasekar, and T. N. Farris, "Role of indentationfracture in free abrasive machining of ceramics," Wear, vol. 162-164, Part A, pp. 246-257, 1993.

78. H. Bulsara, Y. Ahn, S. Chanrasekar, and T. N. Farris, "Polishing and lapping temperatures," ASME Trans. J. TriboL, vol. 119, pp. 163-170, 1997.

79. M.Ward and D.W. Hadley, An Introduction to Mechanical Properties of Solid Polymers. New York: Wiley, 1993.

80. M. Ward, Mechanical Properties of Solid Polymers. New York:Wiley, 1983.

81. J. Watanabe, G. Yu, 0. Eryu, I. Koshiyama, K. Izumi, K. Nakashima "High precision chemical mechanical polishing of highly-boron-doped Si wafer for epitaxial substrate." Precision Engineering., 2005, (29) pp. 151-156.

82. Scholz , G. A. Schneider, J. Munoz-Saldana and M. V. Swain "Fracture toughness from submicron derived indentation cracks", Applied Physics Letters, vol. 84, №16, pp.3055-3057, (2004)

83. B.R. Lawn, A.G. Evans, D.B.Marshall // J. Am. Ceram. Soc. Vol.73, p. 574 (1990)

84. D.S. Harding, W.C. Oliver, G.M.Pharr // Mater. Res. Soc. Symp. Proc., vol.356, p.633, (1995)

85. J.S. Field, M.V. Swain, R.D. Dukino // J. Mater. Res., vol.18, p.1412 (2003)

86. В.Г. Шульга, И.И. Данилов // Проектирование технологических процессов изготовления интегральных микросхем. Часть II. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002

87. Zhao Y.; Chang L. // A micro-contact and wear model for chemical-mechanical polishing of silicon wafers. Wear, vol. 252, 2002, pp. 220-226

88. J. Bagdahn, J. Schischka, M. Petzold, W. N. Sharpe and other "Fracture toughness and fatigue investigations of polycrystalline silicon". Proceedings of SPIE Vol. 4558 (2001), pp. 159-168

89. Ю.И. Головин, C.H. Дуб, В.И. Иволгин, B.B. Коренков, А.И. Тюрин // Кинетические особенности деформации твердых тел в нано- и микрообъемах. Физика твердого тела, 2005, том 47, вып. 6, стр. 961-973.

90. Xueping Li, Takashi Kasai, Shigeki Nakao, Taeko Ando, Mitsuhiro Shikida, Kazuo Sato, Hiroshi Tanaka. // Measurement for fracture toughness of single crystal silicon film with tensile test. Sensors and Actuators A, №119, 2005, pp. 229-235.

91. Guanghui Fu, A. Chandra, S. Guha, Ghatu Subhash // A Plasticity-Based Model of material Removal in Chemical-Mechanical Polishing (CMP). IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, vol. 14, No. 4, Nov. 2001, pp. 406-417.

92. Jianfeng Luo, D.A. Dornfeld // Optimization of CMP from the Viewpoint of Consumable Effects. Journal of the Electrochemical Society, 150 (12), 2003, pp. G807-G815.

93. Swetha Thagella, A.K. Sikder, Ashok Kumar // Tribological Issue and Modeling of Removal rate of Low-k Films in CMP. Journal of the Electrochemical Society, 151 (3), 2004, pp. G205-G215.

94. Yeau-Ren Jeng, Pay-Yau Huang, Wen-Chueh Pan // Tribological Analysis of CMP with Partial Asperity Contact. Journal of the Electrochemical Society, 150 (10), 2003, pp. G630-G637.

95. Kuide Qin, Brij Moudgil, Chang-Won Park // A chemical mechanical polishing model incorporating both the chemical and mechanical effects. Thin Solid Films, vol. 446, No.2, 2004, pp.277-286.is