СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ САПФИРОВЫХ ПОДЛОЖЕК
METHOD OF CLEANING SURFACES OF SAPPHIRE SUBSTRATES

Изобретение относится к области производства сапфировых подложек для гетероэпитаксии нитридов III группы, которые в дальнейшем применяются для изготовления различных оптоэлектронных элементов и устройств.
Подложки сапфира проходят достаточно сложный технологический цикл, связанный с разрезанием кристаллов на отдельные пластины, шлифованием и полированием пластин и очисткой их поверхности. Для очистки поверхности подложек применяют методы химического и плазмохимического травления, гидромеханической отмывки и вакуум-термической обработки. Однако каждый из методов в отдельности имеет свои недостатки и не обеспечивает чистоту поверхности подложек, требуемую для проведения процессов получения эпитаксиальных структур. К тому же в процессе обработки подложка приобретает значительный электростатический заряд и, если не принять дополнительных мер по обеспыливанию рабочей зоны, отмывке тары, защите от статического электричества и вакуумной упаковке, то получить подложку с чистой поверхностью практически невозможно.
Задачей настоящего изобретения является создание способа объемной химической очистки поверхности сапфировых пластин после операции финишного полирования растворами силиказолей.
Известны различные способы объемной химической очистки поверхности полупроводниковых пластин, такие как:
- ультразвуковая очистка в растворе синтетических моющих средств (стиральных порошков);
- ультразвуковая очистка в горячей деионизованной воде;
- обработка в смеси азотной и плавиковой кислот;
- обработка в кипящей азотной кислоте с добавкой бихромата калия;
- обработка в смеси серной кислоты с перекисью водорода (состав Каро);
- обработка в смеси аммиака с перекисью водорода (состав АПР);
Перечисленные способы, а также их различные сочетания не позволяют получить чистую гидрофильную поверхность полированных пластин сапфира без видимых следов загрязнений в виде пленки. Пленка загрязнений обнаруживается визуально при контроле чистоты поверхности пластин под люминесцентным освещением и определенным углом и только на пластинах с двухсторонней полировкой. Контроль чистоты поверхности методом атомно-силовой микроскопии подтверждает наличие тонкой (толщина 1÷50 нм) пленки на поверхности как односторонне, так и двухсторонне полированных пластин сапфира, прошедших объемную химическую очистку поверхности вышеуказанными способами. Обычные последующие методы очистки поверхности полированных пластин сапфира, такие как гидромеханическая отмывка и вакуум-термическая обработка, не удаляют эту пленку загрязнений.
Наиболее близким способом к предлагаемому и принятому за прототип является способ объемной химической очистки поверхности полупроводниковых пластин (И.Е.Ефимов, И.Я.Козырь и Ю.Н.Горбунов. Микроэлектроника. М., Высшая школа, 1986. с.184-189), заключающийся в том, что подложки последовательно подвергают ультразвуковой очистке в щелочном растворе, обработке в кислотном растворе, смывке и промывке в деионизованной воде.
Недостатком этого способа является невозможность получения чистой гидрофильной поверхности подложки без загрязнений в виде тонкой, почти невидимой пленки на поверхности обработанных сапфировых пластин, предварительно прошедших операцию финишного полирования растворами силиказолей.
Задачей предлагаемого способа является преодоление указанных недостатков и получение чистой гидрофильной поверхности пластины сапфира без видимых следов загрязнений в виде пленки или отдельных частиц.
Техническое решение поставленной задачи достигается тем, что прошедшие финишную полировку растворами силиказолей подложки сапфира последовательно подвергают ультразвуковой очистке в щелочном растворе, обработке в кислотном растворе, смывке и промывке в деионизованной воде, причем подложки первоначально размещают в металлических кассетах. Ультразвуковую очистку проводят в две стадии, на первой стадии в металлической ванне в 10% растворе вертолина в деионизованной воде при рН=12÷13 и температуре 68÷72°С в течение не менее 8 минут, на второй стадии в деионизованной воде при температуре 68÷72°С в течение не менее 1 минуты. Затем перегружают подложки из металлических кассет в фторопластовые кассеты, проводят смывку деионизованной водой с температурой 68÷72°С в стоп-ванне из полипропилена, после чего проводят в две стадии очистку в кислотных травителях. На первой стадии очистку ведут в фторопластовой ванне в 12÷25% растворе особо чистой плавиковой кислоты в деионизованной воде при температуре 18÷22°С в течение не менее 1 минуты, проводят смывку раствора кислоты деионизованной водой с температурой 18÷22°С в стоп-ванне из полипропилена, после чего проводят первую промывку в фторопластовой ванне в проточной деионизованной воде с температурой 68÷72°С в течение не менее 2 минут. Далее проводят вторую стадию очистки в кислотных травителях в фторопластовой ванне в концентрированной особо чистой ортофосфорной кислоте при температуре 148÷152°С в течение не менее 7 минут, проводят смывку кислоты деионизованной водой с температурой 68÷72°С в стоп-ванне из полипропилена, после чего проводят вторую промывку в фторопластовой ванне в проточной деионизованной воде с температурой 68÷72°С в течение не менее 1 минуты, после чего пластины подвергают сушке. В качестве материала кассет, в которые первоначально загружают подложки, возможно применение нержавеющей стали.
Пример реализации способа.
Подложки сапфира сразу после полировки растворами силиказолей без их высыхания помещаются в кассету из нержавеющей стали, которая в свою очередь погружается в деионизованную воду, налитую в транспортную тару из нержавеющей стали и передаются на участок объемной химической очистки поверхности сапфировых пластин, где в свою очередь проходят ряд последовательных операций, а именно:
- ультразвуковую очистку в кассетах и ванне из нержавеющей стали в 10% растворе вертолина в деионизованной воде при рН=12÷13 за счет добавки гидроксида натрия при температуре 70±2°С в течение 9±1 минут;
- ультразвуковую очистку в кассетах и ванне из нержавеющей стали в деионизованной воде при температуре 70±2°С в течение 2±1 минут;
- перегрузку подложек из стальных кассет в фторопластовые кассеты;
- смывку деионизованной водой при температуре 70±2°С в стоп-ванне из полипропилена;
- обработку в ванне из фторопласта в 12% растворе плавиковой кислоты марки ОСЧ в деионизованной воде при температуре 20±2°С в течение 2±1 минуты;
- смывку деионизованной водой при температуре 20±2°С в стоп-ванне из полипропилена;
- промывку в ванне из фторопласта в проточной деионизованной воде при температуре 70±2°С в течение 3±1 минут;
- обработку в ванне из фторопласта в концентрированной ортофосфорной кислоте при температуре 150±2°С в течение 8±1 минут;
- смывку деионизованной водой при температуре 70±2°С в стоп-ванне из полипропилена;
- промывку в ванне из фторопласта в деионизованной воде при температуре 70±2°С в течение 2±1 минуты.
В дальнейшем подложки сапфира во фторопластовых кассетах без их высыхания погружается в деионизованную воду, налитую в чистую транспортную тару из нержавеющей стали и передаются на участок гидромеханической отмывки или проходят операцию сушки, а именно:
- сушка во фторопластовых кассетах в центрифуге с числом оборотов 1000 в минуту при температуре 20±2°С в среде чистого (фильтр 0,2 мкм) сухого (точка Росы = -65°С) азота в течение 3 минут.
Подложки сапфира с операции финишного полирования растворами силиказолей, прошедшие очистку поверхности предлагаемым способом, имеют чистую гидрофильную поверхность без видимых следов загрязнений в виде пленки или отдельных частиц.
Визуальный контроль чистоты поверхности подложек сапфира с одно- и двухсторонней полировкой, обработанных предлагаемым способом, под люминесцентным освещением и различными углами показал отсутствие пленки загрязнений на их поверхности. Контроль чистоты поверхности подложек, обработанных предлагаемым способом, методом атомно-силовой микроскопии подтвердил отсутствие пленки на поверхности как односторонне, так и двухсторонне полированных пластин сапфира.
Проведенная серия испытаний очистки поверхности сапфировых подложек ориентации (0001) диаметром 50,8; 76,2 и 100 мм подтвердила промышленную применимость предлагаемого способа.