Процессы разрушения и пластичности при гидроабразивном воздействии абразивных частиц на поверхности кремния

УДК 539.373

ПРОЦЕССЫ РАЗРУШЕНИЯ И ПЛАСТИЧНОСТИ ПРИ ГИДРОАБРАЗИВНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ АБРАЗИВНЫХ ЧАСТИЦ НА ПОВЕРХНОСТЬ КРЕМНИЯ

© Ю.М. Литвинов, В.Ф. Павлов, Н.Н. Селиванова, А.Н. Щелоков

Litvinov Yu.M., Pavlov V.F., Sclivanova N.N., Sholokov A.N. Destruction and plasticity processes at abrasive particles hydroabrasive effect on silicon surface. Dependence of deformation local centers density and secondary defects, which arise during hydroabrasive effect of the acutc-angle abrasive particles on silicon surfacc, on the pressure in hydroabrasive jet and on the distance between the nozzle and the processed surfacc have been investigated. It has been shown that the basic mode of deformation is fragile destruction. In order to achieve the increase of the mode of clastoplastic deformation compared to the mode of fragile destruction, it is proposed to use the abrasive of spherical shape with mechanical properties of the material to be processed.

Одним из эффективных методов геттерирования нежелательных примесей в современных технологиях микроэлектроники является внешнее гидроабразивное геттернрованне [I]. В этом методе абразивные частицы увлекаются воздушной струей к поверхности обрабатываемой пластины кремния под воздействием избыточного давления воздуха (рис. I). При этом в приповерхностном слое пластины формируются повреждения, природа которых требует выяснения. Цель работы — характеризация возникающих при такого рода воздействии повреждений и их эволюции при высокотемпературных обработках, имитирующих технологический процесс изготовления приборных структур.

Для этого применили комплекс рентгенодифракционных и рентгенотопографнческнх методов. Анализ типов и плотности вторичных дефектов (геттерирую-щнх центров) после термообработки при 1100 °С во влажном кислороде проводили металлографическими методами. Найдено (рис. 2), что возникающие повреждения представляют собой мощные локальные центры деформации, линейная и поверхностная плотность которых увеличивается примерно в 3,5 раза при двукратном увеличении давления гидроабразнвной струи. На рис. 26 видно, что крупные локальные центры деформации расположены друг от друга на расстоянии, примерно, (1-3)0, где £> - размер поля деформации. Другими словами, поля деформаций отдельных центров деформаций не перекрываются.

Суммарная плотность вторичных дефектов (дислокационных розеток вдавливания, дефектов упаковки и дислокационных петель) следует аналитической зависимости для скорости эрозийного износа, обусловленного хрупким разрушением [3], от давления абразивной струи (скорости абразивных частиц) [4].

Зависимость плотности вторичных дефектов от давления в гидроабразивной струе следует теоретическому выражению (1) для скорости эрозийного износа

мишени (пластины кремния) при соударении с ее поверхностью абразивных частиц диаметром Оп, налетающих на эту поверхность со скоростью ур [5]:

Уп = А(Н,Е, К/еу V." • DJ

где А (Н. Е, К/,) - константа, определяемая механическими свойствами поверхности мишени, а п и т - показатели степени. Показатель степени п, полученный из зависимости (I) составляет п - 2,9 для (I = 5 см и п = 3,3 для с1 = 10 см. Теоретическое значение п в (I) составляет 2,4-2,7 согласно [5].

Соотношение плотности вторичных дефектов при уменьшении расстояния I. между соплом и пластиной (табл. I) таково, что можно утверждать, что основным механизмом формирования поврежденного приповерхностного слоя является хрупкое разрушение.

При уменьшении расстояния при одном и том же (максимальном) давлении гидроабразивной струи плотность ДР увеличивается, а плотность ОДУ и ДП уменьшается, при этом суммарная плотность вторичных дефектов также уменьшается. Мы полагаем, что дальнейшее увеличение давления в гидроабразивной струе будет действовать в том же направлении.

струя сжатого воздуха —

подвод сжатого воздуха

выход струи сжатого воздуха

подвод

абразива

возвратно-поступатсльнос движение пластины

Рис. 1. Схематичное представление метода гидроабразивного геггерировання |2)

центры деформации на стороне пластины с геттером

геттер на обратной стороне

отсутствие геттера граница

Е1>Е2,Н1>Н2,К’|сЖ”1с

а)

Рис. 2. Рснтгснотопограммы обрата с геттером в области границы раздела геттер - отсутствие геттера: а) секционная рентгенотопограмма на прохождение; б) двухкристальная рентгенотопограмма на отражение

Таблица I

Плотность дефектов в пластинах кремния с различными режимами создания внешнего гидроабразивного геттера

Плотность вторичных дефектов на нерабочей стороне пластины, см'3

Образец Вид обработки нерабочей поверхности пластины Дисло- кацион- ные розетки (ДР) Окисли- тельные дефекты упаковки (ОДУ) Дисло- кацион- ные петли (ДП) Суммар- ная плот- ность вторич- ных дефектов

Я КДБ-12 Гидроабразивный геттер Р = 5 атм Л = 5 см 6-Ю5 2-Ю5 9-Ю* 1.8-106

(100) 0 150 Г ндроабра-знвнын гетгер Р = 5 атм 1. = 1,5 см 6.8-10' 8,4-104 Не наблюдали 7.6-10’

Для повышения эффективности геттерирования [6] необходимо снизить моду хрупкого разрушения (уменьшить плотность ДР) и увеличить моду упруго-пластической деформации (увеличить плотность ОДУ). Мы полагаем, что этого можно достичь, согласовав механические свойства абразивных частиц с механическими

б)

Рис. 3. Схема деформации поверхности при внедрении острого (а) и сферического (б) ннденторов: ЗПД - зона пластинчс-ской деформации; МТ и РТ - медианные и радиальные трещины, соответственно; БТ - боковые трещины

свойствами мишени (кремния) и изменив форму и размер абразивных частиц.

На рис. За схематически представлена конфигурация образующихся трещин при внедрении острого индентора, притом, что значения модуля упругости, твердости и трещиностойкости материала индентора больше, чем материала мишени.

На рис. 36 представлено соударение сферической частицы с шероховатой поверхностью для случая, когда модули упругости, твердости и трещиностойкости мишени и абразивной частицы равны. На рис. 4 представлена реальная структура поверхности для различных процессов травления поверхности после операции двустороннего шлифования.

Из рис. 36 видно, что если механические свойства абразивных частиц (модуль упругости, твердость и трещиностойкосгь) близки к механическим свойствам обрабатываемого материала, то происходит взаимное смятие без образования трещин. Таким образом, задача состоит в подборе абразива сферической формы с близкими к обрабатываемому материалу механическими свойствами. Из табл. 2 видно, что наиболее близки к кремнию по механическим свойствам оптические стекла и стеклокерамики.

отсутствие

ісгісра

присутствие

гегтера

а)

б)

в)

Рис. 4. Микроструктура поверхности пластин кремния: а) стандартное щелочное травление; б) кислотное травление, эталонная пластина; в) кислотное травление ОАО «ЭЛМА». Увеличение х 1500

Таблица 2

Механические свойства материалов стекол и кремния

Материал

Механи- ческие свойства Si (100) [7] Оптиче- ские стекла [8] Стекло- керамики [8] TaFD5 (уплотненный флнит-гласс, легированный танталом) |8|

Модуль упругости Е, ГПа 132,8 50-130 110-140 126

Твердость II. ГПа 11,2 2,5-7.5 9-10 7,3

Трещиностой-косп. Ки, МИа м1'1 1,03 0,65-1,15 1,10-1,18 1.54

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе экспериментального исследования зависимости плотности локальных центров деформации и вторичных дефектов (геттерирующих центров), возникающих при гидроабразивном воздействии остроугольных абразивных частиц на поверхность кремния, от давления в гидроабразивной струе и расстояния между соплом и обрабатываемой поверхностью показано, что основной модой деформации поверхности кремния является хрупкое разрушение.

Предложено для уменьшения моды хрупкого разрушения и увеличения моды упругопластической деформации использовать абразив сферической (сфероидальной) формы с механическими свойствами близкими к кремнию - оптические стекола и стеклокерамику.

ЛИТЕРАТУРА

!. Dyacltkov A.M.. Litvinov Yu.М.. Petrov S. К. Selivanova N.N. II Proc of the 8-th Sicntific and Business Conference (Silicon-2002). Roznov pod Radhostem, Czcch Republic. 2002. P. 83-91.

2. Choi С.У.. Lee J.H.. Clio S.H.. Lee O.K.. Kim C.S. /I J. Appl. Phys.

1998. V. 84. № I. P. 168-173.

3. Колесников Ю.В.. Мартов EM Механика контактного разрушения. М.: Паука, 1989.

4. Васильев Ю.К.. Литвинов Ю.М.. Павюв В.Ф.. Селиванова Н И II Тезисы ТрстьеП Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе (Кремнии-2003). М.. 2002.С. 58-60.

5. Ericson Johansson S.. Scliwcit: J.A. H Mater. Sci. and Kng. 1988. V. A 105/106. № 1-2. Pi. I . P. 131-141.

6. Дмчков A.M.. Литвинов Ю.М.. Петров С.В.. Ссливашта НII. Хох-ловА.И.. ЯкоапевС.П. //'Электронная пром-стъ. 2003. Т. 3. С. 33-10.

7. Алехин В.П.. Литвинов М.Ю., Литвинов Ю М.. Скворцов В Н. II Изв. вузов. Материалы электронной техники. 2000. Л" 3. С. 69-72.

8. Lamhropoulos J.C., Li К. Funkenhuscli P.. Ruckman J. II Proc. SPIH.

1999. V. 3782. P. 41-50.