Brevet FR2327036A1 — publié le 19770506

La présente invention concerne un procédé de polissage de matériaux semi-conducteurs de silicium et de germanium mono cristallins. Dans la fabrication des systèmes semi-conducteurs de silicium et de germanium, il est important d'avoir un fini poli de type miroir sur la surface du cristal de support en silicium ou en geimanium pour obtenir un produit de haute Qualité, On a utilisé de nombreux agents de polissage, d'agents d'attaque chimiques et des combinaisons de ceux-ci pour essayer d'obtenir la perfection de surface désirée Par exemple le brevet des Etats-Unis d'AmériQue n0 3.328.141 décrit un procédé de polissage rapide du silicium cristallin qui consiste à polir avec une composition constituée essentiellement d'un agent de polissage du silicium, par exemple de la poudre de silice, et d'un composé alcalin en une quantité telle que l'an ait un pli d'au moins environ 10 en présence d'eau utilisée comme agent de suspension dans les compositions de polissage. Il est indiqué que l'on obtient des vitesses de polissage et des caractéristiques de surfaces optimales à des pli dans la gamme d'environ 10,5 à environ 12,5. te brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3.170.273 décrit l'emploi de sols de silice ayant des concentrations en silice de 2 à 5~/0 et de gels de silice ayant des concentrations en silice de 2 à 100% en poids, pour obtenir un poli de haute qualité sur des cristaux de silicium et de germanium et de divers autres matériaux semi-conducteurs Il est indiqué que la grosseur de particules individuelles dans les sols et gels est comprise entre 5 et 200 millimicrons. Gomme dans le cas des poudres de silice, on a découvert que pour les sols de silice colloïdale, la vitesse de polissage augmente avec le pli, mais qu'à des pli supérieurs à 10,5 - 1170 la silice se dépolymérise en silicate de métal alcalin avec abaissement du pli. Il existe donc un besoin pour un procédé de polissage de matériaux semiconducteurs par des sols de silice colloïdale à des pli de 11,0 et au-dessus. En utilisant certains sols de silice collofdale modifiés, on a trouvé que l'on peut polir rapidement les matériaux semi-conducteurs de silicium et de germanium à un pH de 11 ou davantage, et qu'on obtient des surfaces supérieurement polies, avec peu ou pas de dépolymérisation de la silice colloidale. Spécifiquement, on a découvert qu'il était possible de polir les matériaux semi-conducteurs de silicium ou de germanium jusqu'à un degré élevé de perfection de surface, par un procédé consistant à polir le matériau avec un sol de silice colloïdale modifié ayant un pH compris entre environ 11 et 12,5 et dont les particules de silice sont reve- tues d'atomes d'aluminium chimiquement combinés donnant une couverture de surface d'environ 1 à environ 50 atomes d'alu- minium sur la surface pour 100 atomes de silicium sur la surface des particules non revêtues. te sol de silice collo!- dale modifié que l'on utilise dans le procédé de l'invention a une concentration d'environ 2 à environ 50% en poids, les particules de silice ayant une surface spécifique d'environ 25 à environ 600 mètres carrés par gramme tes sols de silice modifiés que l'on utilise dans le procédé de l'invention sont décrits dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 20892.7970 Ces sols de silice colloïdale sont composés de particules de silice colloïdale revêtues d'atomes d'aluminium chimiQuement combinés de façon à avoir une couverture de surface d'environ 1 à 50 atomes d'aluminium sur la surface pour 100 atomes de silicium à la surface des particules de silice non revêtues.On préfère une couverture de surface de 5 à 40 atomes d'aluminium sur la surface d'une particule de silice revêtue pour 100 atomes de silicium sur la surface d'une particule non revetue, tout particulièrement une couverture de 15 à 25 atomes d'aluminium. On peut déterminer la quantité d'aluminium présente dans le sol de silice colloïdale modifié par des techniques d'analyse classiques. te pourcentage d'atomes de silicium sur la surface des particules de silice colloïdale non rev8tues peut etre calculé par la relation suivante % d'atomes de silicium = 0,08 x valeur numérique de##f?Oe spécifique de2la silice exprimée en m /g. À partir de cette relation, de la concentration en silicium du sol, et de la quantité d'aluminium présente dans le sol modifié, on peut calculer la couverture de surface. Par exemple, si lavaleur numérique de la surface spécifique exprimée en mètres carrés par gramme est de 100 et le rapport molaire du silicium à l'aluminium est de 100 : 4, la couverture de surface est de 50%, c'est-à-dire que 50% des atomes de silicium de la surface ont été effectivement recouverts. On peut traiter n'importe quel sol de silice pour obtenir un sol de silice colloïdale dont la surface des particules est revêtue partiellement ou complètement d'aluminium chimiquement combiné. En général, les sols de silice à revêtir pour emploi dans le procédé de l'invention ont une concentration en silice d'environ 2 à environ 50% en poids, les particules du sol ayant une surface spécifique d'environ 25 à environ 600 mètres carrés par gramme, de préférence d'environ 50 à environ 300 mètres carrés par gramme, et mieux encore d'environ 75 à environ 200 mètres carrés par gramme. On peut déterminer la surface spécifique par des méthodes connues dans la technique, comme par adsorption d'azote. On peut ajouter l'aluminium au sol de silice non revêtu en solution alcaline, par exemple sous forme d'alumi- nate de sodium, de potassium, ou de tétraméthylammonjun. Dans le procédé de l'invention, l'aluminate de sodium est l'agent de revêtement préféré pour la préparation des sols modifiés. Lorsqu'on utilise de l'aluminate de sodium, il peut autre nécessaire dans certains cas de désioniser le sol de silice avant d'ajouter la solution d'aluminate. La stabilité au stockage des sols modifiés dépend en partie de la teneur totale en sodium du sol, les autres facteurs limitatifs étant la teneur totale en solides et le degré de couverture de surface par l'aluminium combiné. En général, si le sol modifié n'est pas destiné à. être utilisé immédiatement, mais doit être conservé pendant une durée pouvant atteindre 2 ou 3 mois avant son utilisation, la concentration maximale en sodium des sols modifiés ayant une surface spécifique S est donnée par la formule empirique : S = 1490 N - 344 où N est le nombre de moles d'ions sodium par litre de sol, et S est exprimé en mètres carrés de surface de particules par millilitre de sol. La solution d'aluminate peut avoir 'importe quelle concentration; cependant, si les solutions sont très concen trées, l'addition du sol, sans provoquer une concentration locale trop élevée de l'ion métal dans le sol, est rendue difficile du point de vue mécanique On évite en général les solutions très diluées pour ne pas diluer excessivement le produit. On préfère comme agent de traitement des solutions contenant 7 à 22 % en poids de l'aluminate. La réaction superficielle de l'aluminate et des particules du sol de silice s'effectue en mélangeant par n'importe quel moyen connu assurant un mélange intime et immédiat, sans que puissent se produire de concentrations locales. Un mélange adéquat peut être obtenu au moyen d'une pompe centrifuge, d'une pompe à turbine ou d'un mélangeur Wading, La quantité d'agent de traitement d'aluminate ajoutée au sol doit être soigneusement réglée. On doit en utiliser suffisamment pour effectuer le traitement désiré, mais pas trop, sinon le sol contiendra de l'aluminate à titre d'impureté ou il pourra même se former un précipité dans le système. On peut effectuer la réaction superficielle à la température ambiante; cependant, des sols modifiés chauffés aux environs de 85 à 10000 pendant environ 30 minutes à environ 2 heures présentent une stabilité supérieure. Comme préparés, les sols de silice modifiés utilisés dans le procédé de l'invention ont un pli compris entre environ 11 et 12,5, de préférence d'environ 11,8 à 12,3. En général, le pH des sols s'abaisse lentement durant le stockage en diminuant de 0,2 - 0,5 unité pH en l'espace de plusieurs semaines, mais on peut réalcaliniser les sols, par exemple par addition de NAOS, jusqu a un pli de 12 à 12,5 en conservant la stabilité et l'efficacité de polissage. tes surfaces spécifiques des sols modifiés varient dans la meme gamme de valeurs que les sols non modifiés de départ, la gamme d'environ 75 à 200 mètres carrés par gramme étant préférée. Comme indiqué plus haut, les sols de silice modifiés utilisés dans le procédé de l'invention peuvent avoir une concentration en silice d'environ 2 à environ 50% en poids. Aux faibles concentrations en silice les durées de polissage sont plus longues, tandis que pour des concentrations en silice de 40-50 ,~, des précautions sont nécessaires pour empêcher une évaporation d'eau à tartir de ceux-ci en cours d'utilisation, gui se traduirai-- par une gélification du sol sur la surface en cours de polissage. las spécialistes ont l'habitude des précautions nécessaires à prendre à cet effet. Pour les sols modifiés utilisés dans le procédé de l'invention, on préfère une concentration en silice comprise entre environ 5 et 3~á en poids Pour produire des matériaux semi-conducteurs à oartir du silicium et du germanium, on coupe un barreau monocristallin du matériau en rondelles ou plaquettes avec une scie diamantée.On peut effectuer un polissage préliminaire de la plaquette de semi-conducteur par l'un quelconque des divers noyens bien connus dans la technique Par exemple, le polissage initial peut etre effectué avec un abrasif grossier, tel que de 1'alumine ou du grenat de 2 à 20 microns. On peut effectuer un polissage subséquent en faisant varier considé raclement les matériaux, les opérations de polissage avec ou sans attaque, et la durée Ces opérations préliminaires ne sont recommandables que dans la mesure où elles réduisent la durée totale de polissage nécessaire.La surface de la plaquette peut être polie à un degré élevé en partant d'une surface initialement rugueuse avec le s sols de silice colloïdale modifiés décrits ci-dessus si l'on y consacre un temps suffisant. Un appareillage de polissage adéquat comprend le polisseur industriel dit " à bol d'alimentation'1, ainsi que d'autres industriellement utilisés ou des machines à rodez ou à polir modifiées. Quand on effectue le polissage final de la plaquette ou ronde le de silicium ou de germanium selon le procédé de l'invention, la pression et la vitesse des disques de polissage et la durée de polissage peuvent varier largement. De façon générale, la durée de polissage sera celle nécessaire à l'obtention d'un haut degré de perfection de surface, et la pression et la vitesse seront telles que l'on évite des effets nuisibles au matériau semi-conducteur. Bien que le procédé de l'invention ne soit limité par aucune théorie explicative, on suppose que le polissage final des semi-conducteurs de silicium ou de germanium par des sols de silice colloïdale implique un effet chimique prédominant et un effet mécanique mineur. Par exemple, avec les semi-conducteurs de silicium on pense que l'effet chimique met en jeu une oxydation du silicium en silicate sur la surface du semi-conducteur.La vitesse d'oxydation augmente avec le pli du sol, des pli de 11,5 à 12,5 paraissant être les plus efficaces pour le polissage. On pense Que la silice colloïdale agit à la fois comme abrasif mécanique et comme produit d'élimination du silicate Pour cette dernière fonction, on pense que la silice colloïdale réduit le dépôt de silicate sur la surface du silicium à l'état d'un '1voile". La silice colloïdale ordinaire et les poudres fines de silice se dépolymérisent en silicate à pli 12, abaissant ainsi le nli à environ 11 et augmentant la concentration en silicate de l'agent de polissage. les effets favorables du procédé de l'insention sont multiples. le pH élevé conduit à une grande vitesse de polissage et la stabilité plus élevée des sols de silice colloïdale modifiés entraîne un fort degré d'élimination du silicate et un faible "voilez Quand on polit avec des sols de silice colloïdale courants réglés à pH 12, les vitesses d'élimination de matière superficielle à partir du semi-conducteur dépassent rarement 0,05 millimètre par heure à cause des difficultés décrites plus haut. tes exemples non limitatifs suivants sont donnés à titre d'illustration de l'invention. g ype 1 ? : Dans un réservoir de 580 litres en acier inoxydable, on introduit 404 kilogrammes d'un sol de silice contenant 52,4 % de SiO2 en poids, dont les particules de silice ont une surface spécifique de 132 mètres carrés par gramme. On stabilise le sol avec de l'hydroxyde de sodium jusqu'à ce que le rapport pondéral SiO2,EJaO2 soit de 230. On dilue ensuite le sol avec 171 kilogrammes d'eau. On installe un mélangeur à turbine pourvu d'un rotor d'un diamètre de 5,1 centimètres et pouvant tourner à 10*000 tou s/minute, le rotor étant immergé plusieurs centimètres sous la surface du liquide et disposé de façon à projeter le liquide vers le haut à travers le carter du rotor et contre une plaque déflectrice également disposée sous la surface du liquide. On installe un tube d'alimentation pour l'introduction d'une solution d'aluminate de sodium, dont l'extré- mité de sortie est placée juste sous le carter de turbine, de façon que le mélange de l'a'uminatede de sodium et de la silice colloïdale soit presque instantané.On n-9énare une solution d'aluminate de sodium en dissolvant 8,3 kilogrammes d'aluminate de sodium technique contenant 72 % de NaÀlO2 en poids dans 33,2 kilogrammes d'eau. On refoule cette solution par le tube d'alimentation à environ 0,125 litre par seconde, tout en faisant fonctionner le mélangeur à turbine à pleine vitesse. le produit obtenu est un sol stable ayant un pli de 11,7 contenant 35% de solides, dont les particules de silice sont revêtues d'ions aluminate à un taux de 19,5 %. Des plaquettes ou rondelles de silicium de 7,5 centimètres de diamètre sont tout d'abord polies avec de l'alumine d'une grosseur de particule de 10-15 microns, puis avec une pâte de diamant et un lubrifiant en utilisant un tampoil de polissage doux en feutre et un appareil de polissage ordinaire à 4 plateaux pour le montage des plaquettes. On nettoie les plaquettes, puis on les polit avec le sol modifié décrit ci-dessus, dilué au pr-éanable avec une solu- tion de La0E jusqu'a obtention d'un pli 12 et d'une teneur en solides de 10-12 % en poids.On fait tourner le plateau à polir à 150 tours/minute et les plateaux sur lesquels sont montées les plaquettes à 50 tours/minute, en exerçant une pression de 450 grammes par centimètre carré sur la surface des plaquettes- Un effectue le polissage à une température de surface de 6000, le sol de silice modifié étant appliqué au plaquettes en 7e laissant tomber sur le tampon à polir à un débit de 55 millilitres par minute On atteint en moyenne une vitesse de polissage ou d'enlèvement par plaquette de 150 microns par heure, alors qu'avec un sol de silice colloïdale non modifié et en utilisant la même technique, on n'obtient qu'une vitesse d'enlèvement de 50 microns par heure.Les plaquettes polies avec le sol modifié présentent un haut degré de perfection de surface. Exemnle 2 : Dans un réservoir en plastique de 75 litres, on introduit 40 kilogrammes d'un sol de silice contenant 30,8 % en poids de SiO2, dont les particules de silice ont une surface spécifique de 130 mètres carrés par gramme. On dilue le sol avec 21,3 kilogrammes d'eau. Au moyen d'un mélangeur à turbine et d'un tube d'alimentation semblables à ceux décrits dans l'exemple 1, on introduit une solution d'aluminate de sodium préparée par dissolution de 400 grammes d'aluminate de sodium technique dans 1600 millilitres d'eau, tout en faisant fonctionner le mélangeur à pleine vitesse. Le produit obtenu est un sol stable contenant 30 % de solides et dont les particules de silice sont revêtues d'aluminate à un taux de 10 %. Après cette préparation, le sol modifié a un pH de 12,0 . On dilue le sol modifié avec un poids égal d'eau et on l'utilise pour polir des plaquettes de silicium avec un appareil semblable à celui décrit dans l'exemple 1. La vitesse d'enlèvement de silicium est de 75 microns par heure et les surfaces polies des plaquettes présentent un haut degré de perfection. REVENDICATIONS 1. Procédé pour polir à un haut degré de perfection de surface un matériau semi-conducteur de silicium ou de germanium en utilisant un sol de silice colloidale, caractérisé en ce qu'on utilise un sol de silice colloïdale modifié, ce sol ayant un pli d'environ Il à 12,5 et les particules de silice colloïdale du sol étant revetues d'atomes d'aluminium combinés chimiquement assurant une couverture de surface d'environ 1 à environ 50 atomes d'aluminium sur la surface pour 100 atomes de silicium sur la surface des particules non revêtues, les particules du sol de silice modifié ayant une surface spécifique d'environ 25 à environ 600 m2/g et le sol ayant une concentration en silice d'environ 2 à environ 50 % en poids. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la couverture de surface est d'environ 5 à environ 40 atomes d'aluminium pour 100 atomes de silicium, et la concentration en silice du sol est d'environ 5 à environ 30% en poids. 3. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur est du silicium. 4. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la couverture de surface est d'environ 15 à environ 25 atomes d'aluminium pour 100 atomes de silicium. 50 Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les particules du sol de silice modifié ont v1me surface spécifique d'environ 50 à environ 300 mètres carrés par gramme. 6. Procédé suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les particules de ce sol ont une surface spécifique d'environ 75 à environ 200 mètres carrés par gramme. 70 Procédé suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le matériau semi-conducteur est du silicium. 8. Procédé suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le pli est d'environ 11,8 à 12,30