DE102006032431A1

DE102006032431A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von mechanischen Defekten in einem aus Halbleitermaterial bestehenden Stabstück

Info

Publication number: DE102006032431A1
Application number: DE102006032431A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Dr. Dipl.-Phys. Köster; Peter Dr.-Phys. Czurratis; Klaus Dr. Dipl.-Ing. Krämer
Original assignee: Siltronic AG; SAM TEC GmbH
Current assignee: Siltronic AG; SAM TEC GmbH
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-07-13
Publication date: 2007-12-27
Anticipated expiration: 2026-07-14
Also published as: DE102006032431B4; CN101093212A; JP2010175560A; JP5331745B2; TW200801508A; TWI356165B; CN101093212B

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Detektion von mechanischen Defekten (4) in einem aus Halbleitermaterial bestehenden Stabstück (1), das zumindest eine ebene Fläche und eine senkrecht zu dieser Fläche gemessene Dicke von 1 cm bis 100 cm aufweist, wobei bei dem Verfahren die ebene Fläche des Stabstücks (1) mit zumindest einem Ultraschallkopf (2) abgerastert wird, der über ein flüssiges Kopplungsmedium (3) an die ebene Fläche des Stabstücks (1) angekoppelt ist und der an jedem Messpunkt (x, y) zumindest einen auf die ebene Fläche des Stabstücks (1) gerichteten Ultraschall-Puls erzeugt und das vom Stabstück (1) ausgehende Echo des Ultraschall-Pulses zeitabhängig aufzeichnet, sodass ein Echo der ebenen Fläche, ein Echo einer der ebenen Fläche gegenüberliegenden Fläche (7) des Stabstücks sowie ggf. weitere Echos detektiert werden, wobei aus den weiteren Echos die Positionen (xp, yp, zp) von mechanischen Defekten (4) im Stabstück (1) ermittelt werden. Gegenstand der Erfindung sind auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie die Integration des Verfahrens in die Prozesskette zur Herstellung von Halbleiterscheiben.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion von mechanischen Defekten in einem aus Halbleitermaterial bestehenden Stabstück.
In der Mikroelektronik werden Scheiben, die aus einem Halbleitermaterial bestehen, als Substrate für die Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen verwendet. Geeignete Materialien sind beispielsweise II/VI-Verbindungshalbleiter, III/V-Verbindungshalbleiter oder Elementhalbleiter wie beispielsweise Germanium oder das besonders gebräuchliche Silicium.
Die Halbleiterscheiben werden hergestellt, indem ein monokristalliner Halbleiterstab zunächst in Stabstücke mit einer Länge von mehreren Zentimetern bis zu mehreren zig Zentimetern geschnitten wird. Diese Stabstücke werden anschließend in dünne Scheiben mit einer Dicke von etwa einem Millimeter aufgetrennt. Monokristalline Halbleiterstäbe werden entweder tiegelfrei mittels des sog. Zonenziehverfahrens (engl. „Float Zone", FZ) oder mittels des Tiegelziehverfahrens nach Czochralski hergestellt. Insbesondere beim Tiegelziehverfahren nach Czochralski kann es vorkommen, dass Gasblasen in den wachsenden Halbleiterstab eingebaut werden. Diese Gasblasen stellen gasgefüllte, blasenförmige Hohlräume im Halbleiterstab dar und können Durchmesser von etwa 10 μm bis etwa 10 mm haben. Diese Gasblasen werden zum Teil beim Auftrennen des Halbleiterstabs in Scheiben angeschnitten, sodass sie an der Oberfläche der Halbleiterscheiben sichtbar werden. Derart defektbehaftete Halbleiterscheiben werden vor Auslieferung aussortiert und nicht zur Herstellung mikroelektronischer Bauelemente verwendet.
Ein anderer Teil der Gasblasen wird beim Auftrennen jedoch nicht angeschnitten, sodass die Gasblasen als kleine Hohlräume in den betroffenen Halbleiterscheiben fortbestehen, obwohl äußerlich kein Defekt sichtbar ist. Werden derartige Halbleiterscheiben zur Herstellung mikroelektronischer Bauelemente verwendet, so können die Hohlräume abhängig von ihrer Lage in der Halbleiterscheibe zum Ausfall einzelner Bauelemente führen, sodass die Ausbeute bei der Bauelementeherstellung verringert wird.
Um dies zu vermeiden, kann gemäß dem Stand der Technik für Halbleiterscheiben aus Silicium ein Prüfverfahren zum Einsatz kommen, mit dem jede einzelne fertig bearbeitete Halbleiterscheibe auf das Vorhandensein von Hohlräumen überprüft wird, bevor sie ausgeliefert und zur Herstellung von Bauelementen verwendet wird. Dieses Verfahren beruht auf der Bestrahlung einer Seite der Halbleiterscheibe mit Infrarot-Strahlung und der Messung und Abbildung der Transmission, d. h. der Intensität der transmittierten Strahlung auf der anderen Seite der Halbleiterscheibe. Infrarot-Strahlung wird durch das Halbleitermaterial transmittiert, wobei an der Grenzfläche eines Hohlraums eine Brechung des Lichts stattfindet, die zu einer reduzierten Transmission führt. Dieses Verfahren ist nur auf Halbleitermaterialien anwendbar, die für Infrarot-Strahlung durchlässig sind.
Dieses Verfahren wird auf Flächen mit geringer Rauhigkeit angewandt, um eine starke Lichtstreuung an der Oberfläche und damit eine reduzierte Transmission zu vermeiden. Dies bedeutet, dass die Halbleiterscheiben nicht unmittelbar nach deren Herstellung durch Auftrennen der Stabstücke, sondern erst nach weiteren, die Oberfläche glättenden Bearbeitungsschritten, im Extremfall erst nach deren Politur am Ende des Herstellungsprozesses, untersucht werden können. Halbleiterscheiben mit Hohlräumen müssen daher unnötig viele Bearbeitungsschritte durchlaufen, bevor sie aussortiert und verworfen werden können. Wünschenswert wäre aber ein früheres Aussortieren, um die mit der Bearbeitung der defekten Halbleiterscheiben verbundenen Kosten zu vermeiden.
Auch das Prüfverfahren selbst zieht relativ hohe Kosten nach sich, da es auf jede einzelne Halbleiterscheibe angewandt werden muss.
Außerdem unterliegt das beschriebene Verfahren weiteren Einschränkungen bezüglich des Dotierstoffgehalts, da mit zunehmendem Dotierstoffgehalt durch die dann vorhandenen freien Ladungsträger das Licht absorbiert und dadurch die transmittierte Lichtintensität stark reduziert wird.
Im Stand der Technik ist auch ein Ultraschall-Prüfverfahren bekannt, mit dem verschiedene mechanische Defekte in unterschiedlichen Materialien detektiert werden. Die Abbildung von Defekten ist wegen der mit größerer Tiefe abnehmenden Empfindlichkeit des Verfahrens bisher auf Dicken von Werkstücken von wenigen Millimetern beschränkt.
Es stellte sich daher die Aufgabe, ein Verfahren bereitzustellen, das auf alle Arten von Halbleitermaterialien anwendbar ist und ein frühzeitiges Aussortieren derjenigen Halbleiterscheiben erlaubt, die Hohlräume aufweisen.
Raster-Ultraschall-Mikroskope, bei denen eine Probe zweidimensional mittels Ultraschall abgerastert wird und die hindurch gelassenen oder reflektierten Schallwellen verarbeitet werden, um daraus ein Bild zu erzeugen, sind aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der DE 25 04 988 A1 , bekannt.
Die internationale Patentanmeldung WO01/86281A1 offenbart ein Raster-Ultraschall-Mikroskop, welches dreidimensionale Bilder einer Probe liefert. Dabei ist die Bilderzeugung zerstörungsfrei und man erhält dadurch Informationen über den inneren Aufbau einer Probe.
Der oben beschriebene Stand der Technik ist jedoch nicht für eine schnelle Datenaufnahme der zu untersuchenden Proben und für die Vermessung von Stabstücken bis zu 100 cm Länge ausgelegt. Hinzu kommt, dass der Durchsatz der Vorrichtungen des Standes der Technik begrenzt ist.
Der Erfindung liegt deshalb auch die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur akustischen Rastermikroskopie zu schaffen, die die Messzeit pro Probe reduziert und dabei eine sichere Detektion ermöglicht.
Die erste Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Detektion von mechanischen Defekten 4 in einem aus Halbleitermaterial bestehenden Stabstück 1, das zumindest eine ebene Fläche 6 und eine senkrecht zu dieser Fläche gemessene Dicke von 1 cm bis 100 cm aufweist, wobei bei dem Verfahren die ebene Fläche 6 des Stabstücks 1 mit zumindest einem Ultraschallkopf 2 abgerastert wird, der über ein flüssiges Koppelungsmedium 3 an die ebene Fläche 6 des Stabstücks 1 angekoppelt ist und der an jedem Messpunkt x,y zumindest einen auf die ebene Fläche 6 des Stabstücks 1 gerichteten Ultraschall-Puls 8 erzeugt und das vom Stabstück 1 ausgehende Echo des Ultraschall-Pulses zeitabhängig aufzeichnet, sodass ein Echo 9 der ebenen Fläche 6, ein Echo 11 einer der ebenen Fläche gegenüber liegenden Fläche 7 des Stabstücks 6 sowie ggf. weitere Echos 10 detektiert werden, wobei aus den weiteren Echos 10 die Positionen x_p,y_p,z_p von mechanischen Defekten 4 im Stabstück 1 ermittelt werden.
Kurzbeschreibung der Figuren:
1 stellt schematisch das bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene Messsignal dar.
2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Raster-Ultraschall-Mikroskop.
3 stellt schematisch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Raster-Ultraschall-Mikroskops mit zwei Ultraschallköpfen dar.
4 stellt schematisch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Raster-Ultraschall-Mikroskops mit jeweils zwei Ultraschallköpfen an zwei gegenüber liegenden ebenen Flächen der Probe dar.
5 stellt schematisch die Keiligkeit eines Stabstücks und die Parameter zur Bestimmung der Keiligkeit und der Lage der Referenzebene dar.
Als Stabstück wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Werkstück aus Halbleitermaterial bezeichnet, das zumindest in einer Richtung größere Abmessungen aufweist als eine typische Halbleiterscheibe. Typischerweise werden Stabstücke durch Schneiden eines Halbleiterstabs senkrecht zu seiner Längsachse, d. h. senkrecht zu seiner Mantelfläche erzeugt. Bestehen die Stabstücke aus monokristallinem Halbleitermaterial, so haben sie in der Regel im Wesentlichen die Form eines geraden Kreiszylinders. Ist das Halbleitermaterial monokristallines Silicium, so liegt der Durchmesser der Stabstücke in der Regel zwischen 100 und 450 mm. Die Länge der Stabstücke beträgt 1 cm bis 100 cm, wobei für die erfindungsgemäße Untersuchungsmethode Längen bis zu 50 cm bevorzugt sind. Die Stabstücke können, insbesondere im Fall multi- oder polykristallinen Halbleitermaterials, aber auch die Form eines länglichen Quaders aufweisen, der rechteckige oder quadratische Stirnflächen besitzt.
Monokristalline Stabstücke 1 (siehe 2) weisen in der Regel zwei ebene Stirnflächen 6, 7 und eine gekrümmte Mantelfläche 5 auf. Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist wenigstens eine ebene Fläche 6 notwendig. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird diese ebene Fläche 6 mit wenigstens einem Ultraschallkopf 2 (auch Transducer genannt) abgerastert. Der Ultraschallkopf 2 steht über ein flüssiges Koppelungsmedium 3, vorzugsweise Wasser, mit der ebenen Fläche 6 in Kontakt. Der Ultraschallkopf 2 erzeugt, in der Regel mittels einer piezoelektrischen Wandlerschicht, an jedem Messpunkt x,y wenigstens einen auf die ebene Fläche 6 des Stabstücks gerichteten Ultraschall-Puls 8 (1). Die vom Stabstück zurücklaufenden Echos 9, 10, 11 werden wiederum vom Ultraschallkopf 2 detektiert. Neben den durch die ebene Fläche 6 und eine gegenüber liegende Fläche des Stabstücks (beispielsweise die gegenüber liegende zweite Stirnfläche 7 bei zylindrischen Stabstücken) erzeugten Echos 9, 11 werden ggf. weitere Echos 10 detektiert, die auf mechanische Defekte 4 im Stabstück zurückzuführen sind. Aus der Laufzeit t der Echos 10 kann die Entfernung z_p des Defekts 4 von der ebenen Fläche 6 in z-Richtung berechnet werden. In 1 ist die Amplitude A des Signals als Funktion der Laufzeit t aufgetragen. Die Lage x_p,y_p des Defekts 4 in der x,y-Ebene (im Wesentlichen parallel zu der ebenen Fläche 6) bestimmt sich aus der aktuellen Position des Ultraschallkopfs 2. Damit kann die räumliche Position des Defekts 4 eindeutig bestimmt werden. Um die Information über das gesamte Stabstück 1 zu erhalten, wird die ebene Fläche 6 mit dem Ultraschallkopf 2 abgerastert. Beim Abrastern bewegt sich der wenigstens eine Ultraschallkopf 2 vorzugsweise in einer Ebene (nachfolgend Scan-Ebene 17 genannt, vgl. 5), die senkrecht auf der Mantelfläche 5 des Stabstücks steht. Dieses Messprinzip wird als Raster-Ultraschall-Mikroskopie oder engl. als „Scanning Acoustic Microscopy" bezeichnet und ist aus dem oben zitierten Stand der Technik bekannt.
Mechanische Defekte, die mittels der Raster-Ultraschall-Mikroskopie detektiert und lokalisiert werden können, sind alle Bereiche innerhalb eines Stabstücks, die sich in ihren Schallausbreitungseigenschaften vom ungestörten Halbleitermaterial unterscheiden. Dazu gehören beispielsweise Risse und insbesondere die oben beschriebenen Hohlräume. Mit der Methode sind Hohlräume mit einem Durchmesser von ≥ 100 μm und sogar ≥ 50 μm detektierbar.
Um möglichst große Materialdicken bis zu 50 cm untersuchen zu können, wird der Ultraschall vorzugsweise nicht oder nur schwach gebündelt. Die Ultraschall-Pulse sollten also vorzugsweise auf eine weit von der ebenen Fläche 6 entfernte, im Idealfall auf die der ebenen Fläche 6 gegenüber liegende Fläche 7, d. h. auf die rückseitige Stirnfläche des Stabstücks 1, fokussiert werden. In diesem Fall sind schwach fokussierende oder nicht fokussierende Ultraschallköpfe 2 zu verwenden in Verbindung mit modifizierten ADC-Konvertern. Wird das Stabstück 1 nur von einer Seite her untersucht, ist der Zeitbereich für die Aufzeichnung des Echos so zu wählen, dass das Echo 11 (1) der gegenüber liegenden Fläche 7 des Stabstücks 1 (3) noch erfasst wird.
Zur Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit kann das Stabstück von beiden Seiten untersucht werden, vorzugsweise bei Längen von mehr als 20 cm. Beträgt die Länge des Stabstücks mehr als 50 cm, ist eine Messung an beiden ebenen Stirnflächen 6, 7 notwendig, um Informationen über das gesamte Volumen des Stabstücks zu erhalten. Zur Vermessung eines Stabstücks 1 von beiden Seiten ist dieses zunächst von der einen ebenen Fläche 6 mit dem wenigstens einen Ultraschallkopf 2 abzurastern, danach wird das Stabstück 1 mittels einer Drehvorrichtung um 180 Grad um eine auf der Längsachse des Stabstücks senkrecht stehende Achse 15 gedreht, danach erfolgt die Abrasterung der zweiten ebenen Fläche 7 (3). Eine andere Möglichkeit ist die Abrasterung mit zwei gegenüberliegenden Ultraschallköpfen 2 oder mit zwei gegenüberliegenden Anordnungen von mehreren Ultraschallköpfen 2. In diesem Fall entfällt die Drehung des Stabstücks (4).
Ist das Halbleitermaterial monokristallines Silicium, so beträgt die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls etwa 8500 m/s. Je nach der Länge des zu untersuchenden Stabstücks ergibt sich daraus die erforderliche Dauer der Aufzeichnung des Schallechos. Beispielsweise muss bei einer einseitigen Messung eines 20 cm langen Stabstücks oder einer beidseitigen Messung eines 40 cm langen Stabstücks eine Aufzeichnungsdauer von etwa 100 μs mit einer Zeitauflösung von mindestens 10 ns, vorzugsweise mindestens 1 ns gewählt werden, um Informationen über die gesamte Länge des Stabstücks zu erhalten und um aus der Echolaufzeit die Position z_p des Hohlraums in z-Richtung des Stabstücks zu bestimmen. Für die Auswertung des detektierten Schallechos werden die durch die Oberflächen des Stabstücks erzeugten Signale 9, 11 (siehe 1) vorzugsweise durch die Festlegung eines geeigneten Auswertefensters ausgeschlossen. Über zeitlich begrenzte Auswertefenster wird das ausgewertete Schallecho und dadurch das untersuchte Volumen des Stabstücks in z-Richtung in n Segmente unterteilt, in denen zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses über das Schallsignal integriert werden kann. Die gewählte Fensterbreite multipliziert mit n repräsentiert deshalb das gesamte durchschallte Volumen des Stabstücks.
Wenn nicht sicher ist, dass die ebene Fläche 6 senkrecht auf der Mantelfläche 5 des Stabstücks steht, ist es bevorzugt, durch Auswertung der Oberflächensignale 9, 11 (2), wie in 5 dargestellt, die Keiligkeit des Stabstücks zu bestimmen, die durch die Unsicherheit der Kristallachse und den Sägeprozess verursacht wird. Wegen dieser Keiligkeit kann als Referenzebene 16 für die weiter unten beschriebene Bestimmung, welche der später aus dem Stabstück erzeugten Halbleiterscheiben von mechanischen Defekten betroffen sein werden, nicht einfach eine der Stirnseiten 6, 7 verwendet werden. Als Referenzebene 16 wird deshalb die senkrecht zur Mantelfläche 5 liegende Ebene definiert, die der Stirnfläche 6 am nächsten liegt, diese aber gerade nicht mehr schneidet. Wird die Scan-Ebene 17 des Ultraschallkopfs senkrecht zur Mantelfläche 5 des Stabstücks 1 gewählt, kann der Winkel α der Keiligkeit über den Durchmesser d des Stabstücks 1 einfach über die Beziehung tan(α) = (z_max – z_min)/d aus dem Laufzeitunterschied zwischen der längsten und kürzesten Laufzeit des Echos der dem Ultraschallkopf zugewandten ebenen Fläche 6 des Stabstücks 1 ermittelt werden. Aus der längsten Laufzeit ergibt sich der maximale Abstand z_max zwischen der Scan-Ebene 17 und der ebenen Fläche 6, aus der kürzesten Laufzeit der minimale Abstand z_min.
Um sicherzustellen, dass die Scan-Ebene senkrecht zur Mantelfläche des Stabstücks steht, wird das Stabstück vor Beginn der Messung ausgerichtet. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechend justierte, wannenförmige Vertiefung geschehen, in die das Stabstück mit seiner Mantelfläche gelegt wird und die das Stabstück exakt ausrichtet.
Der Abstand z_p eines in der Position x_p,y_p detektierten mechanischen Defekts 4 von der Referenzebene 16 lässt sich bei Kenntnis der Keiligkeit einfach durch die Beziehungen z1 = tan(α)·(d – xp) z0 = zmax – z1 zp = Ztot – Z0 – Z1 bestimmen. Dabei steht z₁ für den Abstand der ebenen Fläche 6 von der Referenzebene 16, z₀ für den Abstand des am Punkt x,y in der Scan-Ebene 17 liegenden Ultraschallkopfs von der ebenen Fläche 6 und z_tot für den Abstand des detektierten Defekts 4 von der ebenen Fläche 6. Alle genannten Abstände werden parallel zur Mantelfläche gemessen.
Entgegen den bisherigen Erfahrungen, denen zufolge sich die Raster-Ultraschall-Mikroskopie nur für die Untersuchung dünner, oberflächennaher Schichten eignet, zeigte sich, dass das Verfahren, insbesondere im Fall von monokristallinem Halbleitermaterial, auch zur Untersuchung von Materialdicken bis zu 25 cm und sogar bis zu 50 cm verwendet werden kann. Dies erklärt sich durch die gute Qualität und Defektfreiheit des Halbleiter-Einkristalls, die zu einer ungestörten ballistischen Schallausbreitung über große Distanzen und Vorzugsrichtungen führt. Einzelne mechanische Defekte sind deshalb bis in große Tiefen sehr gut lokalisierbar. Dabei bestehen keine weiteren Einschränkungen bezüglich der Eigenschaften der Stabstücke, beispielsweise Durchmesser, Kristallorientierung oder Dotierung.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Vorrichtung verwendet werden, die auch die zweite der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe löst:
Dabei handelt es sich um ein Raster-Ultraschall-Mikroskop, umfassend eine Haltevorrichtung für ein zu untersuchendes Stabstück 1 mit wenigstens einer in der x,y-Ebene liegenden ebenen Fläche 6, wenigstens zwei Ultraschallköpfe 2 zur Erzeugung und Detektion eines Ultraschallsignals, einer ersten Montagevorrichtung, an der die wenigstens zwei Ultraschallköpfe in x,y-Richtung unbeweglich montiert sind, einer Verstelleinrichtung, mit der die Ultraschallköpfe 2 in z-Richtung senkrecht zur x,y-Ebene relativ zur Haltevorrichtung bewegt werden können, einer Verfahreinrichtung, mit der die Montagevorrichtung und die Haltevorrichtung relativ zueinander in x,y-Richtung bewegt werden können, einer Steuereinheit 12 zur Steuerung der Verfahreinrichtung und der Verstelleinrichtung sowie einer Auswertungseinheit zur Verarbeitung des durch die Ultraschallköpfe 2 detektierten Ultraschallsignals.
Die Verwendung einer derartigen Vorrichtung ist von Vorteil, da gleichzeitig eine Untersuchung von mehreren unterschiedlichen x,y-Positionen eines Stabstücks erfolgt, wobei die unterschiedlichen Positionen von jeweils einem Ultraschallkopf mit akustischen Signalen bestrahlt und deren Echos vom jeweiligen Ultraschallkopf detektiert werden. Auf diese Weise lässt sich eine deutliche Reduzierung der Messzeit erreichen.
Das erfindungsgemäße Raster-Ultraschall-Mikroskop wird im Folgenden anhand der 2 beschrieben:
Das Raster-Ultraschall-Mikroskop umfasst eine Haltevorrichtung für ein zu untersuchendes Stabstück 1, das wenigstens eine im Wesentlichen in der x,y-Ebene liegende ebene Fläche 6 aufweist.
Es unterscheidet sich dadurch vom Stand der Technik dass es wenigstens zwei Ultraschallköpfe 2 zur Erzeugung und Detektion eines Ultraschallsignals aufweist. Es können auch mehr, beispielsweise vier Ultraschallköpfe verwendet werden. Vorzugsweise ist einer der Ultraschallköpfe ein sog. Master-Transducer, alle anderen sind Slave-Transducer. Die Ultraschallköpfe werden vorzugsweise durch einen Hochfrequenzgenerator 14 mit einer hochfrequenten Wechselspannung versorgt, die durch eine piezoelektrische Wandlerschicht in ein akustisches Signal in Form eines Ultraschallpulses umgewandelt wird. Die von einem Element des Stabstücks 1 in unterschiedlicher Tiefe reflektierten Echos werden anschließend wiederum durch die piezoelektrische Wandlerschicht des jeweiligen Ultraschallkopfs 2 detektiert und in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Signal wird vorzugsweise durch einen AD-Wandler digitalisiert und an die Auswerteeinheit übermittelt, die sie als Funktion der aktuell untersuchten Position in der x,y-Ebene aufzeichnet. Die Ultraschallfrequenz liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bis 25 MHz. Es können auch multiple 100 MHz re-Interfaces für Ultraschallköpfe bis 25 MHz zum Einsatz kommen.
Die wenigstens zwei Ultraschallköpfe 2 sind an einer ersten Montagevorrichtung in x,y-Richtung unbeweglich montiert.
Es ist möglich, eine gemeinsame Verstelleinrichtung für alle Ultraschallköpfe 2 vorzusehen. In diesem Fall können nur alle Ultraschallköpfe gemeinsam in z-Richtung verstellt werden. Vorzugsweise ist jedoch für jeden der Ultraschallköpfe 2 eine eigene Verstelleinrichtung vorhanden, mit der der Ultraschallkopf 2 in z-Richtung senkrecht zur x,y-Ebene unabhängig von den anderen Ultraschallköpfen 2 relativ zur Montagevorrichtung bewegt werden kann. Jeder Ultraschallkopf kann dann unabhängig in z-Richtung derart verstellt werden, dass er eine maximale Signalintensität (beispielsweise eine maximale Signalintensität des Echos der rückseitigen ebenen Fläche 7) detektiert. Jede Verstelleinrichtung weist vorzugsweise einen unabhängigen motorischen Antrieb auf. Die Vorrichtung enthält weiterhin eine x-y-Abtastvorrichtung, die gleichzeitig die zwei oder mehr Ultraschallköpfe im Fokus behalten kann, um diese unabhängig voneinander in die Fokuslage zu steuern und zu regeln (vgl. die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 1020060054482).
Um ein Abrastern der ebenen Fläche 6 des Stabstücks zu ermöglichen, weist das erfindungsgemäße Raster-Ultraschall-Mikroskop eine Verfahreinrichtung auf, mit der die Montagevorrichtung und die Haltevorrichtung für das Stabstück relativ zueinander in x,y-Richtung bewegt werden können. Die ebene Fläche 6 des Stabstücks wird dabei Messpunkt für Messpunkt und Zeile für Zeile abgescannt, so dass die gesamte ebene Fläche des Stabstücks erfasst wird.
Weiterhin ist eine Steuereinheit zur Steuerung der Verfahreinrichtung und der Verstelleinrichtung sowie eine Auswertungseinheit zur Verarbeitung des durch die Ultraschallköpfe detektierten Ultraschallsignals vorhanden. Die Steuereinheit und die Auswerteeinheit können in einer Einheit, beispielsweise in einem Rechner 12 mit Monitor 13, kombiniert sein. Die Verarbeitung und Aufzeichnung der von den zwei oder mehr Ultraschallköpfen detektierten Echos erfolgt vorzugsweise simultan, wobei die detektierten Signale als Funktion der aktuell untersuchten Position in der x,y-Ebene aufgezeichnet und daraus die Position x_p,y_p,z_p der mechanischen Defekte bestimmt werden. Vorzugsweise werden simultan die Daten für eine Bilddarstellung erzeugt.
Zur Untersuchung von Stabstücken 1 mit einer Länge von mehr als 20 cm wird vorzugsweise ein modifiziertes Raster-Ultraschall-Mikroskop verwendet, das eine weitere Montagevorrichtung aufweist, an der wenigstens zwei weitere Ultraschallköpfe 2 analog zur ersten Montagevorrichtung montiert sind. Die zweite Montagevorrichtung ist so angeordnet, dass die daran montierten Ultraschallköpfe 2 eine zweite ebene Fläche 7 des Stabstücks 1 untersuchen können, wie in 4 dargestellt.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung können je nach Beschaffenheit des Halbleitermaterials Stabstücke bis zu 450 mm Durchmesser und mit einer Länge von bis zu 40 cm (bei beidseitiger Untersuchung) oder bis zu 20 cm (bei einseitiger Untersuchung), oder sogar mit einer Länge von bis zu 50 cm bzw. 25 cm bis hin zu 100 cm bzw. 50 cm untersucht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen es, im Herstellungsprozess frühzeitig von mechanischen Defekten, beispielsweise Hohlräumen, betroffene Halbleiterscheiben auszusondern, ohne alle Halbleiterscheiben einzeln untersuchen zu müssen und ohne die von den Defekten betroffenen Halbleiterscheiben weiteren – unnötigen – Bearbeitungsschritten zu unterwerfen. Dadurch entstehen deutliche Zeit- und Kostenvorteile.
Daher bezieht sich die Erfindung auch auf ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Halbleiterscheiben, umfassend folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge:

a) Herstellung eines Halbleiterstabs,
b) Schneiden des Halbleiterstabs in Stabstücke mit einer Länge von 1 cm bis 100 cm,
d) Bestimmung der Position von mechanischen Defekten in jedem Stabstück, wobei die Position jedes Defekts durch Koordinaten x_p, y_p in einer Ebene parallel zu den in Schritt f) durchzuführenden Schnitten sowie eine Koordinate z_p senkrecht zu dieser Ebene eindeutig festgelegt ist,
f) Schneiden der Stabstücke in eine Vielzahl von Halbleiterscheiben mit einer Dicke von 0,2 bis 2 mm und
h) Aussortieren derjenigen Halbleiterscheiben, die die Positionen beinhalten, an denen mechanische Defekte festgestellt wurden.

Die einzelnen Schritte dieses erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Vielzahl von Halbleiterscheiben werden im Folgenden im Detail beschrieben:
Zunächst wird in Schritt a) ein Halbleiterstab hergestellt. Vorzugsweise ist der Halbleiterstab monokristallin. Vorzugsweise besteht der Halbleiterstab aus Silicium, insbesondere aus monokristallinem Silicium. In diesem Fall hat der Halbleiterstab in der Regel einen Durchmesser von etwa 100 bis 450 mm. Der Halbleiterstab wird beispielsweise mittels des Zonenziehverfahrens oder mittels des Tiegelziehverfahrens nach Czochralski hergestellt. Da bei nach Czochralski gezogenen monokristallinen Halbleiterstäben die beschriebenen Hohlräume auftreten, ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf solche Halbleiterstäbe bevorzugt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch auch auf gegossene, multi- oder polykristalline Halbleiterstäbe (die auch als Blöcke bezeichnet werden) anwendbar, die beispielsweise in der Herstellung von Solarzellen Verwendung finden.
In Schritt b) wird der Halbleiterstab in Stabstücke geschnitten, die eine Länge von 1 cm bis 100 cm, vorzugsweise bis 50 cm aufweisen. In der Regel werden die Schnitte mit einer Bandsäge oder Innenlochsäge ausgeführt. Der Halbleiterstab wird in der Regel senkrecht zu seiner Längsachse in Stabstücke geschnitten. Im Fall eines Halbleiterstabs mit rundem Querschnitt bedeutet dies, dass die Stabstücke im Wesentlichen die Form eines geraden Kreiszylinders aufweisen. Bedingt durch das Ziehverfahren weisen die Stabstücke aber gewisse Unregelmäßigkeiten auf.
In der Regel wird nach Schritt b) ein optionaler Schritt c) ausgeführt, bei dem die Mantelflächen der im Wesentlichen zylindrischen Stabstücke derart geschliffen werden, dass die Stabstücke exakt zylindrische Form annehmen. Daneben können an der Mantelfläche der Stabstücke Orientierungsmerkmale wie Orientierungskerben (engl. „notch") oder Orientierungsflächen (engl. „flat") erzeugt werden. Dieser Schritt kann nach, bevorzugt aber vor Schritt d) erfolgen.
In Schritt d) wird die Position von mechanischen Defekten in jedem Stabstück bestimmt. Dies geschieht vorzugsweise mit Hilfe der oben beschriebenen Raster-Ultraschall-Mikroskopie.
Alternativ kann die Position von mechanischen Defekten, insbesondere von Hohlräumen, bestimmt werden, indem eine Seite des Stabstücks mit Infrarot-Strahlung bestrahlt und die Transmission auf der anderen Seite des Stabstücks gemessen wird. Diese Messung wird vorzugsweise an der Mantelfläche des zylindrischen Stabstücks durchgeführt, um zu lange Laufwege des Lichts zu vermeiden. Da eine zu große Rauhigkeit diese Messung stört, ist es bevorzugt, die betreffenden Flächen des Stabstücks vor der Messung durch Feinschleifen oder Ätzen oder Polieren oder eine geeignete Kombination dieser Verfahren zu glätten. Vorzugsweise sollte die Rauhigkeit der betreffenden Flächen nicht über Ra = 0,2 μm liegen. Bei diesem Verfahren werden mit einer infrarot-sensitiven Kamera mit einem geeignetem Objektiv Bilder vom Inneren des Stabstücks erzeugt. Gaseinschlüsse oder Defekte im Inneren führen zu einer Brechung oder Absorption des eingestrahlten Lichtes. Die Tiefe der Defekte wird über die Objektiveinstellung ermittelt, die ein scharfes Bild ergibt.
Da für die Anwendung des Infrarot-Transmissions-Verfahrens eine zusätzliche Glättung der Oberfläche erforderlich ist, ist in Schritt d) die Anwendung der Raster-Ultraschall-Mikroskopie bevorzugt.
In Schritt f) wird das Stabstück, ggf. gemeinsam mit weiteren Stabstücken, gemäß dem Stand der Technik in Halbleiterscheiben geschnitten, die eine Dicke von 0,2 bis 2 mm aufweisen. Vorzugsweise geschieht dies mit einer Drahtgattersäge (engl. „multi wire saw", MWS) gemäß dem Stand der Technik. Vorzugsweise werden die Stabstücke senkrecht zu ihren Mantelflächen in Halbleiterscheiben geschnitten. Danach werden die Halbleiterscheiben in der Regel gereinigt und vereinzelt, d. h. die nach dem Drahtsägeprozess in Paketen vorliegenden Halbleiterscheiben werden getrennt und einzeln in die Fächer einer Kassette oder eines Magazins gestellt.
Anschließend werden in Schritt h) diejenigen Halbleiterscheiben aussortiert und in der Regel verworfen, die die Positionen beinhalten, an denen in Schritt d) Hohlräume festgestellt wurden. Dies kann entweder manuell oder automatisch durch einen Roboter geschehen.
Um diese Halbleiterscheiben leichter aussortieren zu können, wird vorzugsweise zwischen den Schritten d) und f) in einem zusätzlichen Schritt e) die z-Koordinate der Position jedes mechanischen Defekts auf dem Stabstück markiert, beispielsweise durch Fräsen, Schleifen oder Bohren einer Vertiefung. Bei zylindrischen Stabstücken, die senkrecht zu ihrer Mantelfläche in Halbleiterscheiben geschnitten werden sollen, wird die Markierung in der in Schritt d) bestimmten Position z_p an der Mantelfläche angebracht. In Schritt h) werden schließlich alle Halbleiterscheiben, die an ihrem Umfang eine Markierung tragen, aussortiert. Dies kann beispielsweise manuell nach einer visuellen Identifizierung der Markierung erfolgen. Je nachdem, wie präzise die an der Mantelfläche angebrachte Markierung mit der Position z_p des mechanischen Defekts übereinstimmt, und in Abhängigkeit von der Dicke der geschnittenen Halbleiterscheiben und der Präzision des Schneidverfahrens in Schritt f) ist es erforderlich, lediglich die die Markierung tragenden Scheiben oder auch die jeweils benachbarten Scheiben auszusortieren.
Alternativ zur Anbringung der Markierung können in Schritt e) aus den Positionen z_p der mechanischen Defekte und aus der Lage der in Schritt f) durchgeführten Schnitte die Halbleiterscheiben (bzw. deren Nummern) bestimmt werden, die wenigstens einen mechanischen Defekt aufweisen. Diese können schließlich in Schritt h) manuell oder automatisch durch einen Roboter aussortiert werden. Bei einem ausreichend hohen Automatisierungsgrad der Halbleiterscheibenfertigung kann beispielsweise das Materialverfolgungssystem die Bestimmung der betroffenen Scheibennummern übernehmen. Das Materialverfolgungssystem kann beispielsweise aus der Lage der Referenzebene, die mit der ersten vollständigen Halbleiterscheibe übereinstimmt, sowie aus der Summe aus dem Abstand (engl. „pitch") der Schnitte (entsprechend der Summe aus der Dicke der geschnittenen Halbleiterscheiben und dem beim Schneiden verursachten Materialverlust), die Nummern der betroffenen Halbleiterscheiben bestimmen. Auch bei dieser Alternative kann es erforderlich sein, benachbarte Halbleiterscheiben auszusortieren, um sicher alle mit mechanischen Defekten behafteten Halbleiterscheiben zu entfernen.
Um zu vermeiden, dass unnötig viele Halbleiterscheiben aussortiert werden müssen, können die Halbleiterscheiben, die gemäß Markierung oder berechneter Scheibennummer wenigstens einen mechanischen Defekt aufweisen, sowie eine festgelegte Anzahl benachbarter Halbleiterscheiben in einem zusätzlichen Schritt g) einzeln gemäß dem Stand der Technik auf mechanische Defekte untersucht werden. Dies kann beispielsweise durch Raster-Ultraschall-Mikroskopie, Infrarot-Transmissions-Messung oder Röntgenabsorptionsmessung geschehen. Beispielsweise werden die markierten bzw. berechneten Halbleiterscheiben sowie ihre jeweils nächsten Nachbarn untersucht. In Schritt h) werden schließlich nur diejenigen Halbleiterscheiben aussortiert, in denen in Schritt g) tatsächlich mechanische Defekte gefunden wurden. Alle anderen in Schritt g) einzeln untersuchten Halbleiterscheiben werden in die Kassette oder das Magazin zurückgestellt und weiter bearbeitet. Auf diese Weise kann einerseits die zeit- und kostenintensive Untersuchung jeder einzelnen Halbleiterscheibe und andererseits das unnötige Aussortieren von defektfreien Halbleiterscheiben vermieden werden.
Um bei niedrigen Defektraten das Ausliefern von Halbleiterscheiben mit Hohlräumen oder anderen mechanischen Defekten wirksam zu verhindern, ist bei einer ausschließlich auf die Halbleiterscheiben bezogenen Untersuchung grundsätzlich eine Inspektion von 100% aller Halbleiterscheiben erforderlich. Durch die Kombination der erfindungsgemäßen Untersuchung des Stabstücks, bei der die Positionen der mechanischen Defekte vorermittelt werden, mit einer Untersuchung einzelner Halbleiterscheiben, bei der nur wenige Scheiben um die vorermittelte Position nachgemessen werden, kann die Fehlerfreiheit aller ausgelieferten Halbleiterscheiben mit minimalem Messaufwand gewährleistet und die Halbleiterscheiben-Ausbeute maximiert werden. Eine Nachmessung einzelner Halbleiterscheiben in Schritt g) ist nur dann erforderlich, wenn in Schritt d) ein mechanischer Defekt detektiert wurde. Bei sinkender Fehlerrate an den Stabstücken sinkt der Messaufwand an einzelnen Halbleiterscheiben entsprechend.
Welche der beschriebenen Methoden zum Aussortieren bevorzugt ist, hängt von der Häufigkeit der mechanischen Defekte, von den Kosten für die Herstellung, Untersuchung und Aussortierung der Halbleiterscheiben sowie von den Kosten der Automatisierung und Materialverfolgung ab.

Claims

Verfahren zur Detektion von mechanischen Defekten (4) in einem aus Halbleitermaterial bestehenden Stabstück (1), das zumindest eine ebene Fläche (6) und eine senkrecht zu dieser Fläche gemessene Dicke von 1 cm bis 100 cm aufweist, wobei bei dem Verfahren die ebene Fläche (6) des Stabstücks (1) mit zumindest einem Ultraschallkopf (2) abgerastert wird, der über ein flüssiges Koppelungsmedium (3) an die ebene Fläche (6) des Stabstücks (1) angekoppelt ist und der an jedem Messpunkt (x,y) zumindest einen auf die ebene Fläche (6) des Stabstücks (1) gerichteten Ultraschall-Puls (8) erzeugt und das vom Stabstück (1) ausgehende Echo des Ultraschall-Pulses zeitabhängig aufzeichnet, sodass ein Echo (9) der ebenen Fläche (6), ein Echo (11) einer der ebenen Fläche gegenüber liegenden Fläche (7) des Stabstücks (6) sowie ggf. weitere Echos (10) detektiert werden, wobei aus den weiteren Echos (10) die Positionen (x_p, y_p, z_p) von mechanischen Defekten (4) im Stabstück (1) ermittelt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die senkrecht zu der ebenen Fläche (6) gemessene Dicke 1 cm bis 50 cm beträgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stabstück (1) aus monokristallinem Halbleitermaterial besteht.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Position (z_p) eines mechanischen Defekts (4) in z-Richtung relativ zu einer senkrecht auf der Mantelfläche (5) des Stabstücks (1) stehenden Referenzebene (16) bestimmt wird, wobei die Referenzebene (16) unabhängig von der Keiligkeit des Stabstücks (1) ist und wobei die Lage der Referenzebene durch den maximalen Abstand (z_max) zwischen der ebenen Fläche (6) und einer ebenfalls senkrecht auf der Mantelfläche (5) stehenden Scan-Ebene (15), in der sich der wenigstens eine Ultraschallkopf (2) befindet, definiert ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Halbleiterscheiben, umfassend folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge: a) Herstellung eines Halbleiterstabs, b) Schneiden des Halbleiterstabs in Stabstücke mit einer Länge von 1 cm bis 100 cm, d) Bestimmung der Position von mechanischen Defekten in jedem Stabstück, wobei die Position jedes Defekts durch Koordinaten x_p, y_p in einer Ebene parallel zu den in Schritt f) durchzuführenden Schnitten sowie eine Koordinate z_p senkrecht zu dieser Ebene eindeutig festgelegt ist, f) Schneiden der Stabstücke in eine Vielzahl von Halbleiterscheiben mit einer Dicke von 0,2 bis 2 mm und h) Aussortieren derjenigen Halbleiterscheiben, die die Positionen beinhalten, an denen mechanische Defekte festgestellt wurden.
Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterstab aus monokristallinem Halbleitermaterial besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des aus monokristallinem Halbleitermaterial bestehenden Halbleiterstabs in Schritt a) durch Tiegelziehen nach Czochralski erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt b) hergestellten Stabstücke eine Länge von 1 cm bis 50 cm aufweisen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt b) hergestellten Stabstücke im Wesentlichen die Form eines geraden Kreiszylinders aufweisen und dass nach Schritt b) in einem zusätzlichen Schritt c) die Mantelfläche der Stabstücke geschliffen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Position von mechanischen Defekten in jedem Stabstück in Schritt d) mittels des Verfahrens gemäß Anspruch 1 durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Position von mechanischen Defekten in jedem Stabstück in Schritt d) durchgeführt wird, indem eine Seite des Stabstücks mit Infrarot-Strahlung bestrahlt und die Intensität der transmittierten Infrarot-Strahlung auf der anderen Seite des Stabstücks gemessen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schritten d) und f) in einem zusätzlichen Schritt e) die z-Koordinate der Position jedes mechanischen Defekts auf dem Stabstück markiert und die Halbleiterscheiben, die nach Schritt f) die Markierung tragen, in Schritt h) aussortiert werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d) in einem zusätzlichen Schritt e) aus den z-Koordinaten der Positionen der mechanischen Defekte und aus der Lage der in Schritt f) durchgeführten Schnitte die Halbleiterscheiben bestimmt werden, die wenigstens einen mechanischen Defekt aufweisen, und dass diese Halbleiterscheiben in Schritt h) aussortiert werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d) in einem zusätzlichen Schritt e) aus den z-Koordinaten der Positionen der mechanischen Defekte und aus der Lage der in Schritt f) durchgeführten Schnitte die Halbleiterscheiben bestimmt werden, die wenigstens einen mechanischen Defekt aufweisen, dass diese Halbleiterscheiben sowie eine festgelegte Anzahl benachbarter Halbleiterscheiben in einem zusätzlichen Schritt g) einzeln auf mechanische Defekte untersucht werden und dass in Schritt h) alle Halbleiterscheiben aussortiert werden, in denen in Schritt g) mechanische Defekte gefunden wurden.
Raster-Ultraschall-Mikroskop, umfassend eine Haltevorrichtung für ein zu untersuchendes Stabstück (1) mit wenigstens einer in der x,y-Ebene liegenden ebenen Fläche (6), wenigstens zwei Ultraschallköpfe (2) zur Erzeugung und Detektion eines Ultraschallsignals, einer ersten Montagevorrichtung, an der die wenigstens zwei Ultraschallköpfe in x,y-Richtung unbeweglich montiert sind, einer Verstelleinrichtung, mit der die Ultraschallköpfe (2) in z-Richtung senkrecht zur x,y-Ebene relativ zur Haltevorrichtung bewegt werden können, einer Verfahreinrichtung, mit der die Montagevorrichtung und die Haltevorrichtung relativ zueinander in x,y-Richtung bewegt werden können, einer Steuereinheit (12) zur Steuerung der Verfahreinrichtung und der Verstelleinrichtung sowie einer Auswertungseinheit zur Verarbeitung des durch die Ultraschallköpfe (2) detektierten Ultraschallsignals.
Raster-Ultraschall-Mikroskop gemäß Anspruch 15, gekennzeichnet durch eine Versteileinrichtung für jeden Ultraschallkopf (2), mit der jeder Ultraschallkopf (2) in z-Richtung senkrecht zur x,y-Ebene unabhängig von den anderen Ultraschallköpfen (2) relativ zur Montagevorrichtung bewegt werden kann.
Raster-Ultraschall-Mikroskop gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16, gekennzeichnet durch eine weitere Montagevorrichtung, an der wenigstens zwei weitere Ultraschallköpfe (2) analog zur ersten Montagevorrichtung montiert sind und die so angeordnet ist, dass das Stabstück (1) zwischen den beiden Montagevorrichtungen mit den Ultraschallköpfen (2) angeordnet werden kann, sodass das Stabstück (1) durch eine erste ebene Fläche (6) durch die an der ersten Montagevorrichtung montierten Ultraschallköpfe (2) und durch eine parallel zur ersten ebenen Fläche (6) liegende zweite ebene Fläche (7) durch die an der zweiten Montagevorrichtung montierten Ultraschallköpfe (2) untersucht werden kann.