Рассмотрение технологии процессов обработки

В этом разделе изложим особенности технологии прямого связывания при производстве структур КНИ и структур германий на кремнии, изоляторе, арсениде галлия, на кремнии и изоляторе и др. Обсуждаемый материал является ключевым для применяемой технологии успешного связывания. Он включает вопросы целостности границы раздела и обсуждения образования пор, а также придания формы (профилирования) связанным пластинам. Остановимся вначале на микродефектах в связанных пластинах на примере структур КНИ на основе кремния.

Целостность границы (поверхности) раздела является одним из ключевых моментов в процессе сращивания. Если граница раздела не качественна, то она содержит поры между двумя связанными пластинами. Имеются четыре основных причины образования пор: недостаточная плоскостность пластин, наличие захваченного воздуха, частиц, а также поверхностных загрязнений. Требования высокой плоскостности для стандартных пластин и отсутствия частиц на границе раздела связано с захватом воздуха пустотами между двумя пластинами, образующимися в процессе прямого контакта. Вероятно, главной причиной образования больших пор на границе до размеров в несколько сантиметров является присутствие частиц и захваченный ими воздух. Захваченный воздух между двумя поверхностями приводит не только к плохому контакту при комнатной температуре, но и к отталкивающим силам между двумя связанными пластинами при высоких температурах. Когда пластины нагреваются, то связь между ними осуществляется в местах прямых контактов и появляются чашеобразные и дискообразные полости, заполненные воздухом. Давление за счет отталкивающих сил в полости может достигать значений, значительно превышающих атмосферное давление, при температуре связывания 1100⁰ С. В работе [21] в качестве примера приведены поры, вызванные загрязняющими частицами на пластине кремния диаметром 100 мм. При этом видны частицы, оставшиеся после шлифования на верхней части пластины. Поры размером в несколько миллиметров в диаметре проявляются в кругообразной форме и почти во всех случаях проявляют себя в центре. Кругообразная форма согласуется с минимумом энергии для заполненной воздухом полости. Там же показаны большие скопления частиц, ответственных за поры. Существуют поля напряжений в окрестности частиц, возникающих в результате связывания пластин кремния. Напряжения решетки в окрестности частицы ясно видны из полос слипания дислокаций, расположенных в ортогональных напряжениях скольжения <110>. Это подтверждают исследования с помощью рентгеновской просвечивающей топографии. Например, частица диаметром 1 мм между 8-дюймовыми пластинами (толщиной 700 мкм) может вызывать поры с диаметром приблизительно равным 1 см.

Изучение пор, зависящих от таких переменных как температура связывания и время, а также от поверхностных условий (окисленная поверхность или неокисленная) показывает, что содержание пор для этих двух случаев различно. Случай наличия пор между двумя окисленными поверхностями рассматривается подробно.

9.1.Поры для случая SiO₂// SiO₂ связывания пластин

Содержание пор для случая SiO₂// SiO₂ связывания пластин зависит от трех переменных: температуры связывания, времени связывания и толщины окисла. Для иллюстрации приведем пример, в котором температура связывания заключена между 900 ⁰С и 1200 ⁰С, время связывания между 0,5 и 2 часам, а толщина окисла в области между 0,5 и 1,0 мкм. Пластины связывались с одинаковыми слоями окисла на их поверхностях. Все пластины связывались во влажной окислительной атмосфере. Связывались также пластины с толщинами окисла 1 мкм с неокисленными пластинами. Перед соединением пластины погружались в раствор, что приводило к увеличению содержания гидроксильных групп на связываемых поверхностях. Все пластины были стандартного полупроводникового качества, при этом отсутствовал контроль по плоскостности и микрошероховатости. Пластины связывались в условиях нечистых комнат, что не давало возможности избежать появления пор. Содержание пор анализировалось методом сканирующей акустической томографии (CAT). Результаты измерений приведены в [5] для случая связи двух окислов с одинаковыми толщинами 1 мкм. Не наблюдалось различий в содержании пор и общее появление пор было найдено при связывании окислов толщиной 0,5 мкм или если связывались неокисленные пластины с окисленными. Из CAT изображений [5], очевидно, что содержание пор в окисленных пластинах кремния не зависит от температуры отжига, а также от времени отжига. За исключением нескольких макропор, вызванных наличием частиц и загрязнений, связанные пластины были свободны от пор. Имеются исключения для пространства шириной от 4 до 8 мм на периферии пластин. Эти круглые или полукруглые пространства содержат высокую плотность малых пор. Концентрация этих пор на периферии пластины подтверждает наличие локализованного источника загрязнений. В ряде исследований, в которых использовались пониженные температуры, были также получены подобные результаты, указывая на то, что SiO₂//SiO₂ связь стабильна при температурах не ниже 400 ⁰С.

Исследовалось влияние органических загрязнений, испускаемых из контейнеров, используемых для хранения пластин. Из анализа содержания пор после связывания было найдено, что в пластинах, которые связываются без пор при комнатной температуре, производятся поры после связывания и отжига при температурах 200¸800 ⁰С. Такое поведение отнесено за счет разложения органики, преимущественно углеводородов, на поверхности пластины и их последующее испарение при высоких температурах, приводящее к образованию пор. Найденные явления зависят от изготовителя пластин и от условий хранения. При этом рекомендуется использования комнатных температур связывания как способ хранения пластин без их загрязнения. Так как связывание при комнатных температурах обратимо, то пластины в дальнейшем легко разъединяются. Следует указать на тот факт, что длительное хранение пластин также может приводить к образованию пор. В работе [5] показаны CAT изображения двух связанных пластин, которые были окислены до слоя окисла толщиной 1 мкм и хранились в течение месяца в пластиковой коробке. Перед соединением пластины парами подвергались обработке с целью увеличения содержания гидроксильных групп и удаления макрочастиц. Пара пластин также обрабатывалась вначале очищающим раствором с целью удаления органических загрязнений и затем подвергалась той же самой обработке, что и пара неочищенных пластин. Обе пары отжигались 1 час в окислительной атмосфере при температуре 1200 ⁰С. Как видим, пара очищенных пластин свободна от пор при связывании за исключением периферийных пор, в то время как пара неочищенных пластин в левой части этого рисунка имеет несколько больших пор. Это обусловлено наличием органических загрязнений.