Состояние и свойства поверхности полупроводников.

Электрические параметры полупроводников, а также их способность работать в течение длительного времени во многом зависит от состояния и степени чистоты поверхности полупроводника, поэтому перед герметизацией полупроводникового прибора необходимо произвести очистку поверхности изделия.

Электрические свойства поверхности полупроводника отличаются от электрических свойств его объёма, так как поверхностные атомы имеют свободные валентные связи, образующиеся в результате разрыва кристаллической решётки. Состояние поверхности полупроводника зависит от механических, физических и химических методов обработки, а так же от условий окружающей среды.

При механической и физической обработке образуется слой с нарушенной кристаллической решеткой, и поверхность становится шероховатой, загрязняется, а при химической она покрывается оксидной плёнкой, толщина которой зависит от применяемых реактивов и режимов обработки, и загрязняется присутствующими в реактивах примесями. Под воздействием окружающей среды электрические свойства незащищённой поверхности полупроводника изменяются, увеличивается толщина оксидных пленок, и она дополнительно загрязняется. Загрязнения, попадающие на поверхность полупроводника из окружающей среды, а также при взаимодействии с технологическими средами и химическими реактивами, ухудшают и вызывают дрейф характеристик полупроводниковых приборов. Особенно опасны загрязнения поверхности интегральных схем, на единице площади которых расположено большое количество полупроводниковых элементов. Так, загрязнение даже одного микроучастка может вывести из строя всю микросхему.

Очистка поверхности полупроводника и её защита от внешних атмосферных воздействий являются сложными технологическими процессами.

Различают загрязненную, чистую и атомарно чистую поверхности. Загрязнённая поверхность требует очистки. Чистой считается поверхность, на которой остаются допустимое количество загрязнений, а атомарно-чистой – на которой отсутствуют какие–либо посторонние вещества. Предъявляемые на различных этапах изготовления полупроводниковых приборов и микросхем требования к чистоте поверхности неодинаковы. Поверхность, чистая для одной операции, может оказаться недопустимо грязной для другой.

Источниками загрязнения поверхности полупроводниковых пластин, кристаллов являются: абразивные, смазочные и клеящие материалы, используемые при механической обработке; пыль, водяные пары, пары масел, попадающие из атмосферы производственных помещений; технологические среды (газы, вода, химические реактивы), в которых обрабатываются полупроводники, а также инструмент, оснастки, тара для переноса и хранения, с которыми они соприкасаются; материалы покрытий для защиты герметизации полупроводниковых приборов. Продукты дыхания, отпечатки пальцев, кремы, пудры, аэрозоли также загрязняют поверхность. Поверхностные загрязнения можно разделить на молекулярные, ионные и атомарные.

К молекулярным относятся органические (натуральные и синтетические воски, смолы, масла, жир, остатки фоторезистов, растворителей и др.) и механические (пыль, абразивные частицы, ворсинки, частицы металлов, полупроводников, кварца и других технологических материалов) загрязнения, плёнки химических соединений (оксидов, сульфидов, нитридов и др.), образующиеся при химической и термической обработке полупроводниковых пластин и их хранении, а также газы и пары.

Молекулярные загрязнения закрепляются на поверхности полупроводника статически. Исключение составляют плёнки химических соединений, имеющие прочную химическую связь с поверхностью полупроводника. Молекулярные загрязнения вызывают брак. Так при выращивании эпитаксиальных слоёв из-за микроскопических молекулярных загрязнений образуются дефекты кристаллической решётки. Остатки молекулярных загрязнений снижают качество фотолитографической обработки и вызывают быстрый износ фотошаблонов. Нерастворимые в воде органические загрязнения делают поверхность гидрофобной, что препятствует её очистки от ионных и атомарных примесей, поэтому их удаление должно быть первым этапом очистки.

К ионным загрязнениям относятся растворимые в воде соли, кислоты и основания, которые осаждаются на поверхности пластин из травильных и моющих растворов. Особое вредное воздействие оказывают ионы щелочных металлов, которые при повышении температуры или под воздействием электрического поля могут перемещаться по поверхности, что при водит к изменениям электрических характеристик полупроводниковых приборов и в некоторых случаях к выходу их из строя. Ионные загрязнения адсорбируются на поверхности, образуя с ней физическую и химическую связь.

К атомарным загрязнениям относят атомы тяжёлых металлов (золота, серебра, меди, железа), осаждающиеся на поверхность полупроводников в виде металлических микрозародышей из химических реактивов. Атомарные загрязнения влияют на время жизни неосновных носителей заряда в полупроводнике, поверхностную проводимость и другие электрофизические параметры полупроводниковых материалов.