Characterization of silicon wafer surface directly after polishing

Abstract

The purpose of this thesis was to research the surface of the silicon wafer directly after the SSP-polishing process. The main purpose was to determine the conditions where etching occurs and dirt is found on the silicon wafer surface. The study determined how wafer type, doping concentration and dopants affect the behaviour of etching and dirt on wafer surface. The study determined the preventive methods for decreasing the particle contaminations and haze-level. The most important surface defects found by were particles and haze.

The conditions were determined in a cleanroom (ISO-class 6) laboratory. During the tests, the wafers were exposed to alkaline liquor and dried in room temperature, or higher, before the wet bench cleaning. After wet bench cleaning, wafers were measured and inspected for particles and haze. For more detailed testing the experimental arrangement was moved to cleaner (ISO-class 3) laboratory conditions. The tests revealed how wafer surfaces react with different alkali chemicals and how they can prevent adhesion of particles. Last test was executed in the real polishing process. Polishing process test used two different polishing slurries and scavenging agents. Test determined the combined action of slurry and scavenging agent for the surface particles and haze-level.

The results of the study were that the most defects on the wafer surface are particles. Slurry has great impact on the surface quality. The study determined how the wafer type, doping concentration and dopants affect on the degree of particles and haze. High concentration doped wafers have more particles and higher haze level than lower doped ones. Defects on wafer surface can be prevented by using the best available slurry for the polishing process. Using scavenging agent directly after polishing process can prevent defects on the wafer surface. A decrease in polishing process temperature can decelerate chemical reactions on the surface and prevent defects. Shorter drying time after polishing process decreases.

Työssä tutkittiin piikiekkojen pintaa välittömästi SSP-kiillotusprosessin jälkeen. Tarkoituksena oli määrittää missä oloissa syöpymistä tai likaantumista tapahtuu ja onko erityyppisten kiekkojen välillä eroja syöpymisessä tai likaantumisessa. Työssä tarkasteltiin myös mahdollisia keinoja syöpymisen tai likaantumisen ehkäisyyn. Tämän työn kannalta tärkeitä pintavirheitä olivat partikkelit ja haze.

Olosuhteita, joissa syöpymistä tai likaantumista tapahtuu, tutkittiin ISO-luokan 6 puhdastilan laboratorioon tehdyllä koejärjestelyllä. Kokeissa kiekon pinta altistettiin emäksiselle kemikaalille ja kiekon annettiin kuivua huoneenlämmössä tai kohotetussa lämpötilassa ennen pesua. Tämän jälkeen kiekon pinnalta tutkittiin partikkeleiden ja mikrokarheuden määrä. Erityyppisten kiekkojen eroja tutkittiin samalla koejärjestelyllä. Partikkeleiden ja mikrokarheuden määrää eri kemikaaliliuoksissa olleilla kiekoilla sekä mahdollisia ehkäisykeinoja tutkittiin siirtämällä koelaitteisto puhtaampaan ISO-luokka 3:n puhdastilaan. Viimeisessä kokeessa kokeiltiin mahdollisia kiekon pinnan likaantumista vähentäviä liuoksia kiillotusprosessissa.

Kiekoilla näkyvät virheet ovat pääasiassa pinnalle kiinnittyneitä partikkeleita. Slurryn valinnalla on suuri vaikutus pinnan partikkelimääriin ja mikrokarheuteen. Seosaine, tyyppi ja resistiivisyys vaikuttavat kiekon likaantuvuuteen. Runsaasti seostetuilla koekiekoilla esiintyi enemmän partikkeleita ja mikrokarheutta. Kiekkojen likaantumista kiillotuksen jälkeen voidaan ehkäistä valitsemalla paras mahdollinen slurry kiillotusprosessiin sekä levittämällä suojaava huuhteluainekerros kiekon pinnalle välittömästi kiillotuksen jälkeen. Kiillotusprosessin lämpötilaa laskemalla voidaan hidastaa kiekon pinnalla tapahtuvia reaktioita ja siten ehkäistä likaantumista. Myös kiekkojen kuivumisajan pitäminen mahdollisimman lyhyenä kiillotuksen jälkeen vähentää likaantumista.