РАЗДЕЛ 2
ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО И ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КСДИ В ПРОЦЕССЕ ШЛИФОВКИ
2.1. Исследование распределения остаточных напряжений и деформаций в процессе
наращивания поликристаллического слоя
Распределение остаточных напряжений по толщине КСДИ находилось механическим
методом путем последовательного снятия слоев травлением и измерением
соответствующего изгиба после каждого травления. Травление производилось в
смеси кислот HNO5, HF, CH3COOH, одна из сторон КС защищалась пленкой из
химически стойкого лака (ХЛС). Толщина стравливаемого слоя варьировалась в
пределах ~ 30ё80 мкм. После стравливания каждого слоя ХСЛ снималась и измерялся
изгиб на установке «Экспресс-2» [32]. Когда в процессе травления толщина КС
уменьшалась до величины ~ 300 мкм, изгиб измерялся на микроскопе МИИ-4 (рис.
2.1), модернизированном нами для измерения величины изгиба. Методика измерения
изгиба имеет погрешность ± 0,5 мкм.
По результатам эксперимента можно получить в табличном виде деформационную
кривую обозначенную , которая задает изменение изгиба КС в зависимости от
толщины снятого слоя . С помощью деформационной кривой можно вычислить
распределение остаточных напряжений по толщине КС.
Рис. 2.1. Структурная схема устройства бесконтактного измерения
изгиба кремниевых пластин: 1 – микроинтерферометр МИИ-4;
2 – измерительное кольцо; 3 – образец; 4 – индуктивный датчик;
5 – измерительный блок; 6 – цифровой вольтметр
На рис. 2.2 показан типичный вид деформационной кривой , полученной нами в
результате экспериментов по травлению КС со стороны ПК (поликристалла), на
которой видны четыре характерных участка деформационной кривой , где – угловые
коэффициенты прямых, а – границы участков.
Рис. 2.2. Деформационная кривая процесса производства КСДИ
На рис. 2.3 показаны усилия, действующие на КС при снятии слоев. Соответственно
напряжение в слое, находящегося на глубине , складывается из остаточного
напряжения и дополнительного напряжения , возникшего в результате снятия
напряженного слоя толщиной :
. (2.1)
Рис. 2.3. Усилия, действующие на пластинку при снятии слоев
Так как деформационная кривая задается в табличном виде, то методами численного
дифференцирования и интегрирования можно получить средние остаточные напряжения
в снимаемых слоях.
На рис. 2.4 – 2.7 приведены полученные нами деформационные кривые и эпюры
остаточных напряжений для различных этапов технологии производства КСДИ –
наращивание толстого слоя ПК и других этапов технологии, а на рис. 2.8 –
усредненная эпюра остаточных напряжений в КСДИ по всем технологическим этапам.
Рис. 2.4. Наращивание Si поли.
Рис. 2.5. Шлифовка Si поли.
Рис. 2.6. Шлифовка Si моно.
Рис. 2.7. Вскрытие «карманов».
Рис. 2.8. Усредненные остаточные напряжения
2.2. Исследование влияния напряженного слоя на деформацию и остаточные
напряжения в КСДИ
В процессе шлифовки КС на их поверхность наносится напряженный слой, в котором
действуют сжимающие напряжения. Рассмотрим случай изотропной пластины.
Напряженный слой вызывает растягивающую силу и изгибающий момент , которые
приводят к возникновению напряжений в пластине, компенсирующих их воздействие
(рис. 2.9).
Рис. 2.9. Влияние напряженного слоя
Напряжения от силы :
. (2.2)
Напряжение от изгибающего момента М распределены по линейному закону,
максимальные значения равны
, . (2.3)
Суммарные напряжения подчиняются также линейному закону
, . (2.4)
Эпюра напряжений приведена на рис. 2.9.
Момент М вызывает также изгиб КС. При этом максимальный изгиб равен
. (2.5)
Если производится двухсторонняя шлифовка КС кругами различной зернистости или в
разных режимах, то глубина напряженного слоя и величина напряжений в нем на
верхней и нижней поверхностях отличаются, что также приводит к изгибу. Величину
максимального изгиба можно получить с помощью (2.5, 2.6):
, . (2.6)
Соотношения (2.5) позволяют произвести количественную оценку эффекта Тваймана.
Полученные зависимости можно распространить на многослойные КС.
, ,
(2.7)
где , – упругие характеристики слоев, А, В, для двухслойной модели приведены в
табл. 2.1.
Таблица 2.1 – Параметры двухслойной модели
ПК
МК
300,0
500,0
21735,6
-0,023
1113,4
320,0
500,0
22195,1
-0,024
1197,8
340,0
500,0
22654,5
-0,025
1286,6
360,0
500,0
23114,0
-0,026
1379,9
380,0
500,0
23573,4
-0,027
1477,7
400,0
500,0
24032,9
-0,028
1580,2
420,0
500,0
24492,4
-0,029
1687,5
440,0
500,0
24951,8
-0,030
1799,7
460,0
500,0
25411,3
-0,030
1916,8
480,0
500,0
25870,7
-0,031
2039,0
500,0
500,0
26330,2
-0,032
2166,3
300,0
480,0
21141,9
-0,023
1031,3
300,0
460,0
20548,1
-0,023
953,4
300,0
440,0
19954,4
-0,022
879,6
300,0
420,0
19360,6
-0,022
809,8
300,0
400,0
18766,8
-0,021
743,8
300,0
380,0
18173,1
-0,021
681,6
300,0
360,0
17579,3
-0,021
623,1
300,0
340,0
16985,5
-0,020
568,0
300,0
320,0
16391,8
-0,020
516,3
300,0
300,0
15798,0
-0,019
467,9
300,0
280,0
15204,3
-0,019
422,6
300,0
260,0
14610,5
-0,018
380,4
300,0
240,0
14016,7
-0,017
341,1
300,0
220,0
13423,0
-0,017
304,5
300,0
200,0
12829,2
-0,016
270,7
300,0
180,0
12235,4
-0,015
239,4
300,0
160,0
11641,7
-0,014
210,5
300,0
140,0
11047,9
-0,13
183,9
300,0
120,0
10454,2
-0,012
159,4
300,0
100,0
9860,4
-0,010
137,1
300,0
80,0
9266,7
-0,009
116,6
300,0
60,0
8672,9
-0,007
98,0
300,0
40,0
8079,1
-0,005
81,1
300,0
20,0
7485,4
-0,003
68,6
300,0
400,0
18766,9
-0,021
743,8
320,0
400,0
19226,3
-0,022
809,1
340,0
400,0
19685,8
-0,023
878,1
360,0
400,0
20145,2
-0,024
951,1
380,0
400,0
20604,7
-0,025
1028,1
400,0
400,0
21064,1
-0,026
1109,1
420,0
400,0
215
- Київ+380960830922