Химико-механическое полирование монокристаллов ZnO, NiSb, Cu и цилиндрических подложек Si тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат технических наук Фарафонов, Сергей Борисович

• Фарафонов, Сергей Борисович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Фарафонов, Сергей Борисович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЛИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК МАТЕРИАЛОВ ^пО, №8Ь, Си, Бі)

1.1. Способы полирования и обработки поверхности цинкита.

1.1.1. Физико-химические свойства, методы выращивания и области применения кристаллов ЕпО.1.

1.1.1.1. Физические свойства.

1.1.1.2. Химические свойства.

1.1.1.3. Получение оксида цинка.

1.1.1 .4. Применение оксида цинка.

1.1.2. Краткая характеристика современных методов травления, полирования и механической обработки поверхности кристаллов 2пО.

1.2. Получение, свойства и применение кристаллов и подложек №8Ь.

1.2.1. Выращивание монокристаллов

1.2.2. Общая характеристика и применение МБЬ.

1.3. Полирование поли- и монокристаллической меди.

1.4. Полирование кремниевых непланарных поверхностей.

1.5. Обзор методов шлифования, алмазного полирования и химико-механического полирования (ХМП) материалов.

1.5.1. Механическое полирование.

1.5.2. Химическое полирование.

1.5.3. Химико-механическое полирование

1.6. Выводы и постановка задач исследования.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И ХМП МАТЕРИАЛОВ И ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК.

2.1. Методы механической обработки и ХМП материалов; методы исследования полированных поверхностей.

2.1.1. Оборудование, материалы, оснастка механической обработки и ХМП.

2.1.2. Методы исследования геометрических свойств полированных поверхностей.

2.1.3. Методы исследования свойств поверхности Си в условиях сверхвысокого вакуума.

2.1.4. Исследование тонкой приповерхностной структуры кристаллов методом Резерфордовскош обратного рассеяния (POP) каналируемых ионов.

2.2. Разработка коллоидных полирующих композиций.

2.2.1. Коллоидно-химические и полирующие свойства аэросила, модифицированного диэтиленпшколем (АДЭГ).

2.2.2. Изучение коллоидно-химических свойств дисперсий нанодетонационных алмазов (ДНА) и разработка на их основе полировальных композиций.

2.3. Разработка технологии ХМП поверхности ZnO (0001).

2.3.1. Технологический маршрут механической обработки пластин и мишеней из ZnO.

2.3.2. Изучение взаимодействия поверхности ZnO с растворами травителей, водными композицими модифицированных аэросилов и их смесями для разработки коллоидных полирующих композиций и технологии ХМП.

2.3.3. Изучение геометрических и структурных свойств поверхности ZnO.

2.3.3.1. Геометрические свойства полированных поверхностей ZnO.

2.3.3.2. Исследование тонкой приповерхностной структуры кристаллов ZnO методом POP ионов.

2.3.3.3. Рентгеноструктурные исследования поверхности полярных граней ZnO после ХМП.

2.4. Разработка технологии механической обработки и ХМП поверхности кристаллов NiSb (0001).

2.4.1. Маршрут механической обработки монокристаллов NiSb.

2.4.2. Разработка технологии ХМП NiSb.

2.4.3. Изучение основных физико-механических свойств полированной поверхности монокристаллов NiSb.

2.4.4. Изучение шероховатости рельефа и приповерхностной структуры кристаллов NiSb после ХМП и других способов полирования методами АСМ и POP.

2.5. Разработка технологии ХМП подложек Си.

2.5.1. Разработка технологии финишной обработки подложек поли- и монокристаллической меди композициями наоснове золя кремнезема и ДНА.

2.5.2. Изучение свойств полированных поверхностей меди.

2.7. Обсуждение результатов.

2.8. Выводы.

ГЛАВА 3. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССА

ХМП КРИСТАЛЛОВ.

3.1. Физико-химические процессы при ХМП кристаллов.

3.2. Электрохимический аспект ХМП.

3.3. Термодинамический аспект ХМП Си, ZnO и NiSb. Использование диаграмм Ер-рН для целенаправленного выбора химического состава в коллоидных композициях для ХМП.

3.4. Механохимический аспект.

3.5. Особенности воздействия механических факторов при полировании кристаллов композициями ДНА и ХМП аморфным кремнезёмом.

3.6. Образование точечных дефектов в кристаллах в процессе полирования композициями ДНА.;.

3.7. Выводы.

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ХИМИКО-МЕХАНИЧЕСКОГО ПОЛИРОВАНИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПРИБОРОВ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНИКИ И КРЕМНИЕВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.

4.1. Создание УФ-квантоскопов на базе лазерных мишеней ZnO, изготовленных методом ХМП.

4.2. Химико-механическое нанополирование подложек ZnO для создания шмоэпитаксиальных пленок для УФ-лазеров.

4.3. Разработка технологии химико-механического нанополирования поверхности цилиндрических подложек из монокристаллического Si для создания мощных выпрямительных диодов.

4.4. Исследование оптических свойств кремния после различных видов финишной обработки.

4.5. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Химико-механическое полирование монокристаллов ZnO, NiSb, Cu и цилиндрических подложек Si»

Актуальность работы

Полупроводниковая электроника, оптоэлектроника и др. области твёрдотельной электроники базируются на использовании полупроводниковых материалов, диэлектриков и металлов: кремниевые многоуровневые УСБИС, гетеролазеры, лазерные электронно-лучевые приборы и др. В большинстве приборы создаются на сложных эпитаксиальных плёнках, выращенных на монокристаллических подложках. Подготовка поверхности подложек - это необходимая и сложная часть технологии разработки и серийного производства электронных приборов различного назначения.

Так, финишная обработка монокристаллов ZnO необходима для лазерных мишеней (JIM) квантоскопов, излучающих в УФ диапазоне при облучении высокоэнергетическими электронами, и подложек под гомоэпитаксию при создании лазеров. Особенность работы JIM из полупроводников А2В6 заключается в том, что эффективное преобразование энергии электронного пучка в свет протекает на глубине меньше 10 мкм от поверхности монокристаллической JIM. Поэтому необходимо получить кристаллически совершенную поверхность JIM, имеющую высоту шероховатости рельефа а<1-2 нм, плоскостность < 5 N на диаметре 50 мм и толщину 5-20 мкм без микро- и макродефектов.

Интерес к NiSb связан с исследованием структур, перспективных для применения в спинтронике. При определённом соотношении элементов в кристалле NiSb (0001) его период решётки очень близок к периоду решётки GaAs (111) и делает его подходящим материалом также для изготовления подложек при создании лазеров на эпитаксиальных плёнках полупроводников А3В5.

Поверхность металлических монокристаллов с наношероховатым рельефом без дефектов обработки в приповерхностных слоях на глубине в единицы нм необходима в качестве модельных объектов изучения морфологии, химического состава и атомной структуры поверхности в процессах окисления, травления и для создания высокоотражающих поверхностей металлооптики, изготовления высокопрецизионных конструкционных деталей. Физико-механические и оптические свойства металлических поверхностей играют важную роль также при создании отражателей в видимой, ИК и рентгеновской областях; в процессах вакуумного ионно-плазменного напыления, где они определяют структуру и свойства покрытий; при химико-механической планаризации проводящих металлических слоев из меди в технологии изготовления кремниевых УСБИС; в сборочных операциях лазерных устройств и др.

Поэтому разработки приборов и их характеристики непосредственно зависят от геометрических, структурных и электрофизических свойств поверхности подложек и эпитаксиальных плёнок. Получение поверхностей подложек традиционными методами механического и химического полирования оказывается здесь неприменимо. Универсальной технологией, удовлетворяющей высоким современным требованиям к качеству поверхности является химико-механическое полирование (ХМП). Оно достаточно изучено и широко применяется для окончательной обработки поверхности элементарных полупроводников А4, типа А3В5, а также на этапах создания диэлектрических слоев и металлизации в производстве современных многоуровневых УСБИС на кремнии (химико-механическая пла-наризация). Однако для выравнивания поверхности кристаллов интерметалли-дов, металлов и оксидных полупроводников технология ХМП не разработана. Систематических работ за рубежом в этом направлении не проводилось.

Цель работы

Основной целью работы является разработка основ технологий ХМП поверхности монокристаллов оксидного полупроводника ZnO типа А2Вб, интер-металлида N185, состоящего из магнитного металла и полупроводника, монокристаллического металла Си, а также поверхности непланарных (цилиндрических) подложек 81, высокосовершенных по геометрическим и структурным свойствам на основе исследования механизма процессов, протекающих на их поверхности при одновременном химическом и механическом воздействии композиций аморфного кремнезема, которые пригодны для создания оптоэлектронных приборов, УФ лазеров, эпитаксиальных плёнок и силовых диодов.

Конкретные задачи заключались в следующем:

1 - изучить коллоидно-химические свойства систем на основе нанодисперс-ных порошков аморфного кремнезема (аэросила), поверхность частиц которого модифицирована диэтиленгликолем (АДЭГ) и наноалмазов детонационного синтеза (ДНА) в жидких химически активных средах и разработать эффективные композиции для полирования поверхности кристаллов;

2 - выявить закономерности взаимодействия кристаллов ZnO, >П8Ь, Си с композициями и разработать технологию ХМП; современными методами исследовать полированную поверхность;

3 - установить роль химических и механических факторов, особенности их проявления в интегральном процессе ХМП данных кристаллов и предложить механизм процессов ХМП;

4 - применить технологию ХМП кристаллов ZnO для разработки лазерных мишеней и создания полупроводниковых лазеров с электронной накачкой, а также для получения гомоэпитаксиальных пленок; разработать и применить технологию ХМП для обработки непланарных (цилиндрических) поверхностей из монокристаллического Si.

Научная новизна

Впервые исследованы коллоидно-химические свойства дисперсий модифицированного аэросила АДЭГ и ДНА как твердофазной основы композиций для ХМП материалов.

Впервые изучены закономерности взаимодействия химически активных коллоидных композиций АДЭГ с поверхностью монокристаллов ZnO, NiSb, Си в условиях ХМП, определена роль химических и механических факторов в процессах, что в совокупности составляет физико-химические основы данной технологии. Показано, что процесс ХМП протекает в смешанной диффузионно-кинетической области.

Впервые экспериментально определены некоторые физико-механические свойства монокристаллов NiSb (0001), а именно: модуль Юнга Е=85,93 ГПа; вязкость разрушения KIC=1,527-Ю6 Па-мш; активационный объем процесса пластической деформации вытеснения материала из-под индентора Va=0,17-10"24 м3; жёсткость межатомной связи НМ/Е=0,065. Показано влияние размера и фазового состояния твёрдых частиц в полировальных композициях на глубину нарушенного приповерхностного слоя NiSb.

Установлены кинетические зависимости скорости съёма ZnO и Си от концентрации аммиака в композициях АДЭГ и от удельного давления, позволившие обосновать оптимальное соотношение реагентов в коллоидной композиции и режимы ХМП. Показана возможность одновременного ХМП кристаллов Си различной кристаллографической ориентации (111), (110) и (100) с получением высокосовершенной поверхности.

На основании анализа роли химических факторов в композициях коллоидного кремнезема, активированных NH4OH, и механических факторов (твёрдые частицы Si02, ДНА, полировальник, удельная нагрузка) предложен физико-химический механизм ХМП Си и других материалов, заключающийся в нанометровой локализации механического воздействия в области поверхностного оксидного слоя толщиной в доли нм при преобладании одновременно протекающего изотропного химического растворения, локализованного на структурном элементе поверхности кристаллов.

Полученные результаты подтверждены методами: Резерфордовского обратного рассеяния (POP) каналируемых ионов Не+, оптической, растровой электронной (РЭМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ), ОЖЕ электронной спектроскопии (ОЭС), катодо- и фотолюминесценции (КЛ и ФЛ) кристаллов ZnO и др.

Практическая ценность.

1. Разработана лабораторная технология ХМП поверхности монокристаллов ZnO, NiSb, Си, поликристаллической Си и монокристаллических полых Si цилиндров на серийном модифицированном и импортном оборудовании с применением оригинальных приспособлений, методических приёмов и оснастки. Установлена скорость съема полярных граней ZnO при ХМП.

2. Технология ХМП кристаллов ZnO применена для создания ЛМ диаметром до 40 мм и толщиной 20-40 мкм, излучающих в УФ области спектра (к=370-380 нм) при воздействии высокоэнергетических электронов. Измерены основные параметры электронно-лучевых приборов (ЭЛП) квантоскопов на основе ЛМ, которые составили следующие значения: при токах 3,5-4 мА мощность генерации (Р) и коэффициент полезного действия (п) находятся в пределах соответственно Р=10-12 Вт, т|=2,3-4,2 %. Изображение, формируемое ЛМ, проецировалось с высокой четкостью (564-860 линий/диаметр, а в отдельных ЛМ порядка 1000 линий/ диаметр) на экран размером 1 м2. Для создания УФ лазеров на эпитаксиальных плёнках ZnO / ZnO подготовлено более 300 подложек размером 10x10x0,5 мм, на которых получены следующие характеристики гомоэпитаксиальных пленок: порог возбуждения ФЛ менее 1 кВт/см2, интенсивный пик в ультрафиолетовой области Х=375 нм возрастает почти на порядок с увеличением концентрации легирования Ga от 0 до 0,125 % ат. при пренебрежимо слабой люминесценции в красно-зеленой области.

3. Подготовка атомногладкой поверхности Си (111) после ХМП в условиях сверхвысоковакуумной сканирующей туннельной микроскопии (СВВ СТМ) требует 2 ч циклов травление-отжиг, вместо 20 часов для зарубежных аналогов, изготовленных фирмой SPL (Голландия).

4. Впервые технология ХМП применена для полирования монокристаллических подложек NiSb и непланарных цилиндрических подложек кремния диаметром 6-12 мм и высотой 5-10 мм на модифицированной установке Ргоххоп MF-70. На базе полированных полых кремниевых цилиндров созданы выпрямительные диоды со значением обратного тока утечки менее 1 мкА.

5. Полученные результаты внедрены в процессы изготовления JIM кван-тоскопов и подложек цинкита под эпитаксию; они способствуют повышению производительности технологии полирования, экономии материалов, выходу годных эпитаксиальных структур и приборов, повышению уровня полупроводниковой технологии в целом.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту.

1. Результаты изучения коллоидно-химических свойств гетерогенных систем «твёрдая фаза (Si02, ДНА) - жидкость» и разработки полировальных композиции на их основе.

2. Результаты измерений кинетических зависимостей ХМП монокристаллов ZnO и Си.

3. Результаты изучения геометрических и структурных свойств полированных поверхностей кристаллов и физико-механических свойств NiSb. Механизм процесса ХМП.

4. Результаты применения разработанной технологии механической обработки и ХМП кристаллов ZnO для изготовления ультрафиолетовых лазерных электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) с продольной накачкой электронным пучком для квантоскопов и эпитаксиальных слоев ZnO/ZnO методом лазерно-плазменного осаждения для создания УФ лазеров; применение технологии ХМП для изготовления цилиндрических подложек монокристаллического кремния и создания силовых диодов.

Апробация работы. Раздел «Изучение основных физико-механических свойств полированной поверхности монокристаллов NiSb» был отмечен дипломом за лучший доклад наVI Международной конференции при содействии ЮНЕСКО «Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий» (Москва, 2007 г.). Часть результатов проведенных исследований использовалась при выполнении проекта МНТЦ №3294.

Участие в выставках.

1. Международные выставки SEMICON Russia 2009 и 2010, World Trade Center Moscow.

2. Международные форумы Rusnanotech: 6-8 октября 2009 г., 1-3 ноября 2010 г. и 26-28 октября 2011 г. в ЦВК «Экспоцентр» г. Москва.

Основные результаты работы докладывались на следующих конференциях.

Международной школе-семинаре для молодых ученых "Наноматериалы в химии и биологии" (Киев, Украина, 2004 г.).

4-th conference «Nanodiamond and Related Materials jointly with 6-th Diamond and Related Films" (Zakopane, Poland, 2005).

Международной конференции «Наноматериалы в химии, биологии и медицине» (Киев, Украина, 2005 г.).

Конференции «Наномаркет 2005» (Москва, 2005 г.).

4th International Conference on Materials Processing for Properties and Performance (Tsukuba Science City, Japan, 2005).

Joint international conference «Nanocarbon & Nanodiamond 2006» (St. Petersburg, Russia, 2006).

XII национальной конференции по росту кристаллов (Москва, 2006 г.).

VI Международной конференции «Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий» (Москва,

2006 г.).

III и VI Международных научно-практических конференциях «Нанотехно-логии производству» (Фрязино, 2006 и 2009 гг.).

XXXVII и XXXIX Международных конференциях по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва, 2007 и 2009 гг.).

V Российско-японском семинаре «Оборудование, технологии и аналитические системы для материаловедения, микро и наноэлектроники», (Саратов,

2007 г.).

Международной конференции "Химия, физика и технология поверхности наноматериалов" (Киев, Украина, 2008 г.).

9th Biennial Conferenceon High Resolution X-Ray Diffraction and Imaging (Linz, Austria, 2008).

VII Международная российско-казахстанско-японская научной конференции «Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов» (Волгоград, 2009 г.)

Всероссийской научно-технической конференции «Нанотехнологии и на-номатериалы» (Волгоград, 2009 г.)

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 25 научных работах, из них 17 тезисов, 6 статей в трудах и материалах конференций и 2 статьи в журналах из списка ВАК.

Структура и объем работы. Во введении обоснована актуальность работы, дана ее научная новизна, сформулированы цель и основные положения, выносимые на защиту, показана практическая ценность результатов.

Первая глава посвящена обзору современного состояния технологии механической обработки и полирования материалов ZnO, NiSb и Си. Рассмотрены результаты исследований физико-химических процессов, происходящих на их поверхности при её выравнивании; отмечается неразработанность ХМП этих кристаллов и востребованность получения их высокосовершенных поверхностей.

Во второй главе изучены коллоидно-химические свойства систем "твёрдое-жидкость" на основе модифицированного диэтиленгликолем аморфного аэросила с размером частиц 5-50 нм и ДНА с размером поликристаллических частиц 3-130 нм в водных средах и установлены оптимальные составы композиций; приведены результаты разработки технологии ХМП ZnO, NiSb, Си и Si цилиндров; выявлены кинетические закономерности и наиболее производительные режимы ХМП. Представлены результаты исследования свойств поверхности материалов после различных обработок методами оптической микроскопии, РЭМ, АСМ, интерферометрии, POP, СВВ СТМ; показано высокое совершенство поверхностей, имеющих минимальную нанометровую шероховатость (сг=0,05-0,5 нм) и аморфизацию поверхности на глубину 1,2-1,8 нм, без микро и наноцарапин и других макродефектов.

В третьей главе рассмотрены химический, электрохимический, механохи-мический и механический аспекты механизма ХМП данных материалов.

Четвертая глава посвящена результатам применения полированных подложек ZnO в разработках лазерных приборов УФ диапазона излучения в кван-тоскопах и в процессах гомоэпитаксиального наращивания плёнок. Разработана технология ХМП цилиндрических подложек из монокристаллического кремния для последующего эпитаксиального наращивания и создания выпрямительных диодов.

Личный вклад автора. В диссертацию вошли результаты исследований, проведённых автором в Институте Общей Физики им. А.М. Прохорова РАН. Совместно с научным руководителем обоснованно поставлены научные задачи и выбраны объекты исследования. Диссертантом реализованы пути их решения, предложены и освоены методы технологических разработок и экспериментальных исследований, дана интерпретация выявленных особенностей и закономерностей протекания физико-химических процессов при ХМП кристаллов.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка цитируемой литературы (157 источника) и приложения. Текст диссертации содержит 212 стр., 16 таблиц и 96 рисунков.