DE19840197A1 - Method to identify and characterize crystal defects in monocrystalline semiconductor material; involves testing sample of monocrystalline semiconductor material using micro-Raman spectroscopy - Google Patents
Method to identify and characterize crystal defects in monocrystalline semiconductor material; involves testing sample of monocrystalline semiconductor material using micro-Raman spectroscopyInfo
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Abstract
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen zerstörungsfreien Erkennung und Charakterisierung von Kristalldefekten in monokristallinem Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß ein Probenkörper aus monokristallinem Halbleitermaterial mit mu-Ramanspektroskopie untersucht wird.The invention relates to a method and a device for the rapid, non-destructive detection and characterization of crystal defects in monocrystalline semiconductor material, characterized in that a sample body made of monocrystalline semiconductor material is examined using mu-Raman spectroscopy.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zerstörungsfreien, online-tauglichen und schnellen Qualitätskontrolle von monokristallinem Halbleitermaterial sowie zur Prozeßsteuerung in der Siliziumwaferfertigung, insbesondere nach mechanischen Bearbeitungsschritten und thermischen Behandlungen der Siliziumwafer.The invention relates to a method for non-destructive, online-compatible and fast quality control of monocrystalline semiconductor material and for process control in silicon wafer production, especially after mechanical Machining steps and thermal treatments of the Silicon wafer.
Um für die Weiterverarbeitung zu Bauelementen oder integrierten Schaltungen tauglich zu sein, muß monokristallines Halbleitermaterial, wie beispielsweise Siliciummaterial, gewisse Anforderungen erfüllen. So muß Material mit Kristalldefekten, wie beispielsweise Versetzungen, zuverlässig erkannt, charakterisiert und aussortiert werden.In order for further processing into components or integrated circuits must be suitable monocrystalline semiconductor material, such as Silicon material, meet certain requirements. So must Material with crystal defects, such as Dislocations, reliably identified, characterized and be sorted out.
Zu wachstumsbedingten Kristalldefekten kommt es bereits bei der Züchtung von monokristallinem Halbleitermaterial. Kristalldefekte können aber auch erst bei der anschließenden Herstellung und Bearbeitung der Halbleiterscheiben oder der Bauelemente generiert werden. In diesem Fall spricht man von prozeßinduzierten Kristalldefekten. Kristalldefekte können sowohl an der Probenoberfläche, beispielsweise Mikrorisse, als auch im Probeninneren, beispielsweise Gleitungen und Versetzungen, auftreten.There are already growth-related crystal defects the growth of monocrystalline semiconductor material. However, crystal defects can only occur during the subsequent one Manufacture and processing of semiconductor wafers or Components are generated. In this case one speaks of process-induced crystal defects. Crystal defects can both on the sample surface, for example microcracks, as also inside the sample, for example slides and Dislocations occur.
Bei der Herstellung von Siliziumwafern werden zur Kontrolle der mechanischen Bearbeitungsschritte innerhalb der Produktionssequenzen in regelmäßigen Abständen die geometrischen Scheibenparameter, wie der Durchmesser, die Dicke, die Kantenprofilform und die Oberflächenbeschaffenheit der äußeren Grenzflächen bestimmt.When manufacturing silicon wafers are used for control the mechanical processing steps within the Production sequences at regular intervals geometric disc parameters, such as the diameter, the Thickness, the edge profile shape and the surface quality of the outer interfaces.
Bedingt durch die mechanischen Bearbeitungsschritte innerhalb der einzelnen Herstellungssequenzen treten an der Oberfläche und in oberflächennahen Bereichen der Siliziumwafer auch Defekte im homogenen Siliziumgitter, sogenanntes Subsurface Damage (SSD), auf. Zur Kontrolle dieser Defekte werden in regelmäßigen Abständen Wafer aus der Bearbeitungslinie ausgeschleust und untersucht.Due to the mechanical processing steps within of the individual manufacturing sequences occur on the surface and in areas near the surface of the silicon wafers too Defects in the homogeneous silicon lattice, so-called subsurface Damage (SSD). To control these defects are in wafers from the processing line at regular intervals removed and examined.
In frühen Bearbeitungsstadien in denen die Wafer noch nicht poliert sind, kann die Oberflächenstruktur nur mit zerstörenden Meßmethoden, beispielsweise mit Defektätze untersucht werden. Hierbei handelt es sich um anisotropes Ätzen. Dabei oxidiert eine Komponente der Ätzlösung, beispielsweise HNO3, das Halbleitermaterial, eine zweite, beispielsweise HF, löst das Oxid und eine weitere, beispielsweise CH3COOH, kontrolliert als eine Art Verdünnungsmittel die Ätzrate. Das Ätzen im Bereich eines Kristalldefekts verläuft dabei im Vergleich zu der kristallin perfekten Umgebung andersartig. Dieser Unterschied wird dann untersucht, beispielsweise mit einem optischen Auflichtmikroskop.In early processing stages in which the wafers are not yet polished, the surface structure can only be examined using destructive measuring methods, for example with defect sets. This is anisotropic etching. One component of the etching solution, for example HNO 3 , oxidizes the semiconductor material, a second, for example HF, dissolves the oxide and another, for example CH 3 COOH, controls the etching rate as a kind of diluent. The etching in the area of a crystal defect is different in comparison to the crystalline perfect environment. This difference is then examined, for example with an optical reflected light microscope.
Sämtliche Defektätzverfahren verändern das Probenmaterial sowohl chemisch als auch morphologisch. Die Siliziumwafer werden für die weitere Bearbeitung unbrauchbar und müssen als Verlust abgeschrieben werden.All defect etching processes change the sample material both chemically and morphologically. The silicon wafers become unusable for further processing and must be used as Loss to be written off.
Ein weiteres Verfahren zur Untersuchung derartiger Oberflächen, gemäß dem Stand der Technik, stellt die Transmissions-Elektronen-Mikroskopie dar. Dabei wird auf die fertig bearbeitete Halbleiterscheibe eine elektrische Schaltung aufgebracht und diese später in mehreren Arbeitsschritten untersucht. Diese Untersuchungen werden meist von späteren Abnehmern des fertigen Produkts unternommen und lassen Rückschlüsse auf die Qualität der Halbleiterscheiben meist erst nach längerer Zeit zu, so daß Korrekturmaßnahmen nicht sofort wirksam werden können.Another method for examining such Surfaces, according to the state of the art, the Transmission electron microscopy finished semiconductor wafer an electrical Circuit applied and this later in several Work steps examined. These examinations are mostly undertaken by later buyers of the finished product and allow conclusions to be drawn about the quality of the semiconductor wafers usually only after a long time, so that corrective measures cannot take effect immediately.
EP-A 0735378 beschreibt ein Verfahren zur Oberflächendetektion durch Bestimmung der elektrischen Parameter mittels des Meßprinzips der photothermischen Heterodyn-Spektroskopie (PTH) in Verbindung mit der Photolumineszenz-Heterodyn-Spektroskopie (PLH).EP-A 0735378 describes a method for surface detection by determining the electrical parameters using the Measuring principle of photothermal heterodyne spectroscopy (PTH) in connection with photoluminescence heterodyne spectroscopy (PLH).
Ein Nachteil der PTH-/PLH-Spektroskopie ist, daß eine Charakterisierung der Kristalldefekte nicht möglich ist. Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren ist, daß keine direkte Information erhalten wird. Es ist immer eine Analogie zu einer Modellsubstanz notwendig. Da einerseits bei der PTH ein hohes Response-Signal erforderlich ist und andererseits die PLH sehr sensitiv auf Verunreinigungen ist, sind die Einsatzgebiete sehr beschränkt. Bei beiden Verfahren handelt es sich darüber hinaus um sehr langsame Verfahren.A disadvantage of PTH / PLH spectroscopy is that a Characterization of the crystal defects is not possible. Another disadvantage of these methods is that they are not direct Information is obtained. It is always an analogy to one Model substance necessary. On the one hand, a high level at PTH Response signal is required and on the other hand the PLH is very The areas of application are sensitive to impurities very limited. Both methods are about it and very slow procedures.
Bei anderen Verfahren, gemäß dem Stand der Technik, zur Kontrolle der Oberflächenbeschaffenheit von monokristallinem Halbleitermaterial werden diese erst nach weiteren Bearbeitungsschritten, zu einem späteren Zeitpunkt aus der Bearbeitungslinie ausgeschleust, wenn die äußere Grenzfläche eine so geringe Rauheit besitzt, daß der Einsatz von streulichtoptischen Systemen möglich wird. Bei dieser Methode ist die Erfassung der auftretenden Fehler in der Oberflächenstruktur der Siliziumwafer und deren Zuordnung zu auftretenden Prozeßschwankungen nur schwer oder zum Teil gar nicht möglich.In other methods, according to the prior art, for Control of the surface quality of monocrystalline These become semiconductor material only after further Processing steps, at a later time from the Machining line ejected when the outer interface has such a low roughness that the use of scattered light systems is possible. With this method is the recording of the errors occurring in the Surface structure of the silicon wafers and their assignment to occurring process fluctuations only with difficulty or partly at all not possible.
Die Verfahren und Vorrichtungen zur Detektion und Charakterisierung von Kristalldefekten an der Oberfläche von monokristallinen Halbleitermaterialien gemäß dem Stand der Technik arbeiten nicht zerstörungsfrei oder sind nur mit hohem technischem Aufwand zu betreiben. Alle Verfahren führen immer wieder zu hohen Ausfallraten in der Produktion, da diese Verfahren alle eine enorme Zeitverzögerung in der Produktion mit sich bringen, nur kleine Bruchstücke der Siliziumwafer untersucht werden können und die Siliziumwafer für die weitere Produktion unbrauchbar werden.The methods and devices for detection and Characterization of crystal defects on the surface of monocrystalline semiconductor materials according to the prior art Technology does not work non-destructively or only with high to operate technical effort. All procedures always lead too high failure rates in production because of this Processes all have an enormous time lag in production bring with it only small fragments of the silicon wafers can be examined and the silicon wafer for further Production become unusable.
Weiterhin werden bei all diesen Verfahren Veränderungen der Siliziumoberfläche und der oberflächennahen Schichten (Subsurface Damage-SSD) nur unzureichend im Hinblick auf die eingetretenen Phasentransformationen im Siliziumgitter charakterisiert. Dieses SSD resultiert aus mechanischen Bearbeitungsschritten.Furthermore, changes of the Silicon surface and the near-surface layers (Subsurface Damage SSD) insufficient in terms of occurred phase transformations in the silicon lattice characterized. This SSD results from mechanical Processing steps.
Diese Phasentransformationen des Siliziumgitters werden in Abhängigkeit der induzierten Strukturveränderung in nachfolgenden Wärmebehandlungen, wie beispielsweise bei Beschichtungen (Epitaxie, Scheibenrückseite mit Poly-Si und/oder LTO-Oxidschicht) oder Wärmeprozessen wie Tempern, RTP (rapid-thermal-processing) oder RTA (rapid-thermal-annealing), aktiviert und vermindern dadurch die Ausbeute dieser Fertigungsschritte.These phase transformations of the silicon lattice are shown in Dependence of the induced structural change in subsequent heat treatments, such as at Coatings (epitaxy, rear of the pane with poly-Si and / or LTO oxide layer) or heat processes such as tempering, RTP (rapid-thermal-processing) or RTA (rapid-thermal-annealing), activated and thereby reduce the yield of this Manufacturing steps.
Alle diese Methoden widersprechen damit den Gedanken und Erfordernissen einer wirtschaftlichen und modernen Qualitätsphilosophie.All of these methods contradict the thoughts and Requirements of an economic and modern Quality philosophy.
Es bestand daher die Aufgabe ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien, online-tauglichen und schnellen Qualitätskontolle in der Siliziumwaferfertigung, insbesondere nach mechanischen Bearbeitungsschritten und thermischen Behandlungen der Siliziumwafer zur Verfügung zu stellen.There was therefore the task of one method and one Device for non-destructive, online-compatible and rapid quality control in silicon wafer production, especially after mechanical processing steps and thermal treatments of the silicon wafers are available too put.
Es wurde nun gefunden, daß durch die Anwendung von µ-Ramanspektroskopie als unterstützende Meßmethode bei der gezielten Herstellung von Silizium mit definierten Materialeigenschaften, die wiederum von der Kristallstruktur und deren Perfektion abhängig sind, ein Verfahren bereitgestellt wird, das die beschriebenen Nachteile nicht besitzt.It has now been found that by using µ-Raman spectroscopy as a supporting measurement method for targeted production of silicon with defined Material properties, in turn, from the crystal structure and whose perfection depends on a process is provided that the disadvantages described owns.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erkennung und Charakterisierung von Kristalldefekten in monokristallinem Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß ein Probenkörper aus monokristallinem Halbleitermaterial mit µ-Ramanspektroskopie untersucht wird.The invention relates to a method and Device for the detection and characterization of Crystal defects in monocrystalline semiconductor material, characterized in that a specimen monocrystalline semiconductor material with µ-Raman spectroscopy is examined.
Die µ-Ramanspektroskopie ist eine strukturanalytische Methode, die seit der Verwendung von Laserlichtquellen zur Erzeugung von Raman-Streustrahlung weite Verbreitung gefunden hat.Μ-Raman spectroscopy is a structural analysis method which has been used to generate laser light sources of Raman scattered radiation has found widespread use.
Da es sich beim Raman-Effekt um Streuung am Kristallgitter handelt, ist diese von der Kristallperfektion und der Kristallorientierung abhängig. Man kann somit mit diesem Verfahren nicht nur amorphe und kristalline Bereiche unterscheiden, sondern auch die Ordnung innerhalb des Kristalls bestimmen. Weiterhin ist es möglich Spannungen im Material zu messen, da die Frequenz der Gitterschwingungen direkt von den Spannungszuständen im Material abhängig ist.Since the Raman effect is scattering on the crystal lattice is about crystal perfection and the Crystal orientation dependent. You can therefore use this Process not only amorphous and crystalline areas differ, but also the order within the Determine crystal. It is also possible to get tensions in Measure material because of the frequency of the lattice vibrations is directly dependent on the stress conditions in the material.
Durch die Anwendung der µ-Ramanspektroskopie stehen Strategien zur Verfügung, die eine schnellere, zerstörungsfreie und damit eine in die Halbleiterfertigungslinie integrierbare Qualitätskontrolle sowie eine Prozeßsteuerung ermöglichen. Zum ersten mal ist es gelungen die bei der Bearbeitung von Silizium auftretenden Phasenveränderungen mittels einer für die Produktionskontrolle akzeptablen Methode zu beschreiben. Sie findet Anwendung bei der Beurteilung von bestehenden Bearbeitungsverfahren, bei der Evaluierung von neuen Bearbeitungsverfahren und deren Integration in eine Prozeßsequenz und kann als wesentlicher Bestandteil eines fast- feedback-Regelkreises betrieben werden.Strategies are available through the use of µ-Raman spectroscopy available which is faster, non-destructive and therefore an integrable in the semiconductor production line Enable quality control and process control. For the first time it was possible to edit Phase changes occurring in silicon using a for to describe the production control acceptable method. It is used when assessing existing ones Machining process when evaluating new Machining processes and their integration in one Process sequence and can be an integral part of an almost feedback control loop operated.
Die Anwendung der µ-Ramanspektroskopie bezieht sich sowohl auf Kristalle und deren bulk-Eigenschaften, wie beispielsweise Punktdefektcluster, Voids und Sauerstoffausscheidungen, als auch auf Siliziumwafer und die dort ablaufenden Phasentransformationen bei mechanischen und chemischen Bearbeitungsschritten sowie bei Wärmebehandlungen. Diese Festkörperreaktionen, beispielsweise Phasentransformationen und Präzipitationen, werden durch Änderungen im Druck und in der Temperatur ausgelöst und sind zudem zeitabhängig. The application of µ-Raman spectroscopy relates to both Crystals and their bulk properties, such as Point defect clusters, voids and oxygen excretions, as also on silicon wafers and those running there Phase transformations in mechanical and chemical Processing steps and heat treatments. This Solid state reactions, for example phase transformations and precipitations, are caused by changes in pressure and in the temperature triggered and are also time-dependent.
Die µ-Ramanspektroskopie kann dabei erfindungsgemäß beispielsweise zur Optimierung von Prozeßsequenzen, beispielsweise im Hinblick auf die Eliminierung von kostenintensiven Fertigungsschritten wie Ätzen eingesetzt werden. Neuartige Prozeßschritte, beispielsweise in der mechanischen Bearbeitung, lassen sich mit der µ-Ramanspektroskopie evaluieren und ihre Integration in eine Prozeßkette optimieren. Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Anwendung der µ-Ramanspektroskopie besteht darin, daß durch die hohe Meßgeschwindigkeit die Fehlerdetektion an den monokristallinen Halbleiterscheiben im Sinne eines "fast-feedback-Moduls" eine online-taugliche Prozeßsteuerung zuläßt. Dazu wird das Ergebnis der Messungen rechnergesteuert mit einer entsprechenden Referenz kontinuierlich verglichen und im Produktionsprozeß zur Kontrolle von Bearbeitungswerkzeugen herangezogen. Weiterhin kann so auch auf den Erhaltungszustand der eingesetzten Werkzeuge, beispielsweise der Schleifscheiben oder der Einkorn-Diamantwerkzeuge, Rückschluß gezogen werden.The µ-Raman spectroscopy can according to the invention for example to optimize process sequences, for example with a view to eliminating costly manufacturing steps such as etching become. Novel process steps, for example in the mechanical processing, can be with the Evaluate µ-Raman spectroscopy and its integration into a Optimize process chain. A big advantage of application of the µ-Raman spectroscopy according to the invention in that the high measuring speed Fault detection on the monocrystalline semiconductor wafers in the The meaning of a "fast feedback module" is an online-compatible one Process control allows. This is the result of the measurements computer controlled with a corresponding reference continuously compared and in the production process for Control of processing tools used. Farther can also be used on the state of conservation of the Tools, such as grinding wheels or Einkorn diamond tools, conclusions can be drawn.
Viele Einzelschritte in den Prozeßketten bei der Herstellung und Bearbeitung von monokristallinen Halbleitermaterialien, beispielsweise Siliziumscheiben können so optimiert werden.Many individual steps in the process chains during production and processing of monocrystalline semiconductor materials, for example silicon wafers can be optimized in this way.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei Silizium- Impflingskristallen, Silizium-Einkristallen und Silizium- Wafern an allen Orientierungen des Kristallgitters (nach Miller) angewendet werden, vorzugsweise an Si-Einkristallen und Si-Wafern mit den techisch bedeutsamen Kristallorientierungen <100<, <111< und <110<.The method according to the invention can be used with silicon Seed crystals, silicon single crystals and silicon Wafers on all orientations of the crystal lattice (after Miller) can be used, preferably on Si single crystals and Si wafers with the technically significant Crystal orientations <100 <, <111 <and <110 <.
Durch den erfindungsgemäßen Einsatz der µ-Ramanspektroskopie besitzt man eine Methode, die zum einen zerstörungsfrei arbeitet, und zum anderen keine besonderen Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Ultra-Hoch-Vakuum bedarf. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik diskutierten Methoden zur Oberflächendetektion werden hier erstmals in-situ- Messungen möglich. Durch den Vorteil, daß diese Methode hoch ortsauflösend (< 1 µm) arbeitet kann sie auch kurzreichweitige Gitterveränderungen detektieren. Zum Entstehen eines entsprechenden Röntgenreflexes sind beispielsweise ca. 50 Atomlagen notwendig, während für ein Ramanspektrum nur ein Bruchteil dessen notwendig ist.Through the use of µ-Raman spectroscopy according to the invention you have a method that is non-destructive works, and secondly, no special ones Environmental conditions such as ultra high vacuum requirement. In contrast to those discussed in the prior art Methods for surface detection are here in situ for the first time Measurements possible. By the advantage that this method is high it can also work with local resolution (<1 µm) for short-range Detect grid changes. To create one corresponding x-ray reflexes are, for example, approximately 50 Atomic layers are necessary, while for a Raman spectrum only one Fraction of that is necessary.
Ein wesentlicher Faktor der erfindungsgemäßen Anwendung ist, daß es sich um eine sehr schnelle Meßmethode handelt, die darüberhinaus mit anderen Meßmethoden, wie beispielsweise aus DE-A 198 27 202 bekannt, gekoppelt werden kann. In einem "scanning-mode" betrieben, können so auch größere Probenbereiche schnell charakterisiert und die Homogenität von Material und Prozeß ermittelt werden. Dies kann dabei entweder für das gesamte Spektrum oder besser nur für individuelle charakteristische Banden bzw. Wellenzahlenbereiche erfolgen.An essential factor of the application according to the invention is that it is a very fast measuring method, the moreover with other measuring methods, such as from DE-A 198 27 202 known, can be coupled. In one Operated in "scanning mode", even larger ones can Sample areas quickly characterized and the homogeneity of Material and process are determined. This can be done either for the entire spectrum or better just for individual characteristic bands or wavenumber ranges occur.
Von den Phasenveränderungen im Silizium, verursacht durch Bearbeitungsprozesse sind bis heute mehrere Polymorphe von Silizium beschrieben worden. Aus Hochdruckexperimenten mit Diamant-Zellen ist bekannt, daß Silizium bei hydrostatischen Drücken von 10 bis 13 Gpa von der Diamantstruktur (Si-I) in eine metallische Phase (Si-II, β-Sn-Struktur) übergeht. Mit steigendem Druck bilden sich weitere metallische Phasen. Bei Druckentlastung findet eine Rückumwandlung zu verschiedenen halbleitenden Phasen, vorzugsweise in die rhomboedrische Si-XII-Phase und in die kubische Si-II-Phase, statt, die unter Normalbedingungen metastabil bleiben (R. J. Needs et al., Phys. Rev. B 51, 9652 [1995]; J. Crain et al. Rep. Prog. Phys. 58, 705 [1995]).Of the phase changes in silicon caused by Machining processes are still several polymorphs by Silicon has been described. From high pressure experiments with Diamond cells are known to be hydrostatic in silicon Pressing 10 to 13 Gpa in from the diamond structure (Si-I) a metallic phase (Si-II, β-Sn structure) changes. With With increasing pressure, further metallic phases form. At Pressure relief finds a conversion back to different semiconducting phases, preferably in the rhombohedral Si-XII phase and in the cubic Si-II phase, instead, which under Normal conditions remain metastable (R. J. Needs et al., Phys. Rev. B 51, 9652 [1995]; J. Crain et al. Rep. Prog. Phys. 58, 705 [1995]).
Durch Leitfähigkeitsmessungen während Eindruck-Härteprüfungen wurde gefunden, daß sich das metallische Si-II auch während mechanischer Kontakte bilden kann, wobei bislang angenommen wurde, daß nach Entlastung eine amorphe Phase zurückbleibt (D. R. Clarke et al. Phys. Rev. Lett. 60, 2156 [1988]; I. V. Gridneva et al. Phys. Stat. Solodi (a) 14, 177 [1972]). Through conductivity measurements during indentation hardness tests it was found that the metallic Si-II also during can form mechanical contacts, so far assumed that an amorphous phase remains after relief (D. R. Clarke et al. Phys. Rev. Lett. 60, 2156 [1988]; I. V. Gridneva et al. Phys. Stat. Solodi (a) 14, 177 [1972]).
Es wurde mittels µ-Ramanspektroskopie an Härteeindrücken in Silizium beobachtet, daß außer amorphem Silizium in den Eindruckgebieten auch die aus Hochdruckexperimenten bekannten Si-III und Si-XII-Phasen entstehen können (A. Kailer et al. J. Appl. Phys., 81, 3057 [1997] und Y. G. Gogotsi et al. Mater. Res. Innovations, 1, 3 [1997]).It was measured using hardness impressions in µ-Raman spectroscopy Silicon observed that in addition to amorphous silicon in the Impression areas also known from high-pressure experiments Si-III and Si-XII phases can arise (A. Kailer et al. J. Appl. Phys., 81, 3057 [1997] and Y.G. Gogotsi et al. Mater. Res. Innovations, 1, 3 [1997]).
Die Ergebnisse, die die vorweg beschriebenen Experimente geliefert haben, sind als bedeutend für die Bearbeitung von Silizium anzusehen, da die bei der Herstellung von monokristallinen Halbleiterscheiben, beispielsweise Siliziumwafern, eingesetzten Bearbeitungsverfahren zu Phasenveränderungen des Siliziumgitters an der Oberfläche und den darunter liegenden Schichten führen.The results of the experiments described above delivered are considered significant for the processing of Silicon to look at, as in the manufacture of monocrystalline semiconductor wafers, for example Silicon wafers, processing methods used Phase changes of the silicon lattice on the surface and the underlying layers.
Diese Phasentransformationen des Gitters beeinflussen zum einen den Bearbeitungsschritt selbst und zum anderen die gesamte Bearbeitungskette der Herstellung von Siliziumwafern. Beispielsweise wird bei einem duktilen Materialabtrag durch die Metallisierung des Siliziumgitters das Volumen durch Risse weniger geschädigt. Zum einen ist die Wirksamkeit eines den mechanischen Schritten nachfolgenden chemischen Abtragschritts von der an der Oberfläche des Wafers auftretenden Si-Phase abhängig, zum anderen ist die Tiefe des abzutragenden Damage mittels Ätzen bedeutsam.These phase transformations of the grid affect one the processing step itself and the other the entire processing chain for the production of silicon wafers. For example, in the case of ductile material removal the metallization of the silicon lattice the volume due to cracks less damaged. On the one hand, the effectiveness is one mechanical steps subsequent chemical removal step from the Si phase appearing on the surface of the wafer the depth of the damage to be removed depends on the other significant by means of etching.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Abbildungen in schematischer Darstellung näher erläutert. Die in diesen Abbildungen gezeigten Ramanspektren dienen erfindungsgemäß zur Bewertung der Si-Oberflächen.The invention is described below with the aid of illustrations in schematic representation explained in more detail. The one in these Raman spectra shown in the figures are used according to the invention for Evaluation of the Si surfaces.
Die Abb. 1a bis 1c zeigen Ramanspektren mehrerer monokristalliner Siliziumproben nachdem sie mittels einer Innenlochsäge (ID) von einem Siliziumeinkristallstab abgetrennt wurden. In Abb. 1a zeigt sich neben der kristallinen Si-Phase bei 521 cm-1, verursacht durch mechanische Bearbeitungsschritte, eine dieser Bande überlagerte zweite Bande bei 465 cm-1, die einer amorphen Si-Phase zuzuordnen ist. Figures 1a to 1c show Raman spectra of several monocrystalline silicon samples after they were separated from a silicon single crystal rod using an internal hole saw (ID). In Fig. 1a, in addition to the crystalline Si phase at 521 cm -1 , caused by mechanical processing steps, a second band at 465 cm -1 , superimposed on this band, can be assigned to an amorphous Si phase.
In einer weiteren Probe, in Abb. 1b, tritt neben einer kaum verschobenen Si-I-Bande bei 519 cm-1 eine zusätzliche, zu kleineren Wellenzahlen verschobene Bande hinzu, die einer hexagonalen Si-IV-Bande zuzuordnen ist.In a further sample, in Fig. 1b, in addition to a hardly shifted Si-I band at 519 cm -1, there is an additional band shifted to smaller wavenumbers, which is assigned to a hexagonal Si-IV band.
Abb. 1c zeigt eine Si-Probe nach dem Abtrennen mittels einer Innenlochsäge von einem Siliziumeinkristallstab innerhalb einer Bruchfläche, die bei 519 cm-1 eine Bande aufweist, die der Si-I-Phase zuzuordnen ist. Zusammengefaßt zeigt sich, daß bei der Abtrennung mittels einer Innenlochsäge stark wechselnde Anteile von amorpher und kristalliner Phase auftreten. Die Si-I-Bande zeigt sich zu Teil stark verbreitert, gekoppelt mit einer Verschiebung zu kleineren Wellenzahlen, was einer Phasenumwandlung zur hexagonalen Diamantstruktur, der Si-IV-Phase, zuzuordnen ist. Andere Bereiche der Proben, die mikroskopische Bruchflächen besitzen, zeichnen sich durch reine Si-Spektren, mit einer SI-I-Phase, aus. Fig. 1c shows a Si sample after separation by means of an internal hole saw from a silicon single crystal rod within a fracture surface, which has a band at 519 cm -1 , which is assigned to the Si-I phase. In summary, it can be seen that during the separation using an internal hole saw, strongly changing proportions of amorphous and crystalline phases occur. The Si-I band is in some cases very widespread, coupled with a shift to smaller wavenumbers, which can be attributed to a phase transition to the hexagonal diamond structure, the Si-IV phase. Other areas of the samples that have microscopic fracture surfaces are characterized by pure Si spectra with an SI-I phase.
Abb. 2 zeigt ein Ramanspektrun einer monokristallinen Siliziumprobe nachdem sie im Gegensatz zu den obigen Beispielen mittels einer Drahtsäge (Multi-Wire-Saw, MWS) von einem Siliziumeinkristallstab abgetrennt worden ist. Die von diesen MWS-Proben aufgenommenen Ramanspektren variieren weniger stark als diejenigen der mit Innenlochsäge abgesägten Proben. Alle Spektren sind durch die kristalline Si-I-Phase geprägt, wobei nur geringe Anteile an amorpher Phase zu beobachten sind. Die bei diesen Spektren zum Teil beobachteten spannungsinduzierten Bandverschiebungen deuten auf Druckschwankungen in der Verarbeitung hin. Fig. 2 shows a Raman spectrum of a monocrystalline silicon sample after it has been separated from a silicon single crystal rod by means of a wire saw (Multi-Wire-Saw, MWS) in contrast to the examples above. The Raman spectra recorded by these MWS samples vary less than those of the samples sawed off with an internal hole saw. All spectra are characterized by the crystalline Si-I phase, with only small amounts of amorphous phase being observed. The voltage-induced band shifts observed in some of these spectra indicate pressure fluctuations in processing.
Die Abb. 3a bis 3c zeigen Ramanspektren mehrerer monokristalliner Siliziumproben nachdem diese an ihrer Oberfläche geschliffen wurden. Während bei gesägten Proben amorphe und hexagonale Phasenanteile nachgewiesen werden konnten, kommen bei geschliffenen Si-Oberflächen sogar metastabile Hochdruckphasen hinzu, was auf die Bildung von metallischem Silizium während des Schleifprozesses hindeutet. In Abb. 3a ist eine geschliffene Probe (Mesh 320) gezeigt, bei der man erkennt, daß neben der Bande eines amorphen Phasenanteils bei 475 cm-1 noch eine schwache Bande bei 354 cm-1 auftaucht, die der kristallinen, metastabilen Si-XII-Phase zuzuordnen ist. Bei feiner werdenden Schleifprozessen (Mesh 600) zeigten sich in Abb. 3b mehrere Banden der metastabilen Si-III-Phase bei 434 cm-1, 484 cm-1 und 167 cm-1 und der Si-XII-Phase bei 397 cm-1 und 352 cm-1. Abb. 3c zeigt das Spektrum einer Probe, daß mit feinster Schleifscheibenkörnung (Mesh 4000) bearbeitet wurde. Hierbei ist erst bei mehrfach gestrecktem Spektrum, neben der Bande der Si-I-Phase bei 521 cm-1, ein geringer Anteil der metastabilen Hochdruckphase Si-XII bei 353 cm-1 zu erkennen. Ein Anteil an amorpher Phase ist nicht mehr zu beobachten. Figures 3a to 3c show Raman spectra of several monocrystalline silicon samples after they have been ground on their surface. While amorphous and hexagonal phase components could be detected in sawn samples, metastable high-pressure phases are also added to ground Si surfaces, which indicates the formation of metallic silicon during the grinding process. In Fig. 3a a ground sample (Mesh 320) is shown, in which one can see that in addition to the band of an amorphous phase component at 475 cm -1 there is also a weak band at 354 cm -1 , that of the crystalline, metastable Si-XII Phase is to be assigned. With finer grinding processes (Mesh 600), several bands of the metastable Si-III phase at 434 cm -1 , 484 cm -1 and 167 cm -1 and the Si-XII phase at 397 cm -1 were shown in Fig. 3b and 352 cm -1 . Fig. 3c shows the spectrum of a sample that was processed with the finest grinding wheel grit (Mesh 4000). In this case, a small proportion of the metastable high pressure phase Si-XII at 353 cm -1 can only be seen in the case of a multiple stretched spectrum, in addition to the band of the Si-I phase at 521 cm -1 . A portion of the amorphous phase can no longer be observed.
Die beanspruchte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch umfaßt ein µ-Ramanspektrometer, eine Halte- und Transportvorrichtung und eine Aufnahmevorrichtung und kann zusätzlich noch mit einem optischen Meß- und Erkennungssystem, beispielsweise einem Auflichtmikroskop bestückt sein.The claimed device for performing the inventive method according to the independent Device claim includes a µ-Raman spectrometer, a Holding and transport device and a receiving device and can also with an optical measurement and Detection system, for example a reflected light microscope be equipped.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens entfällt die Herstellung, Bearbeitung und subjektive Beurteilung von speziell aufbereitetem Halbleitermaterial, wie beispielsweise Siliziumtestscheiben, sowie die Entsorgung von toxischen Prozeßmedien, wie beispielsweise Chromsäuren. Das beanspruchte Verfahren läßt sich auf jegliches monokristallines Halbleitermaterial anwenden und kann somit an jeder beliebigen Stelle in einer Fertigungslinie für Siliziumscheiben integriert werden. Die automatisierte Erfassung, Speicherung und Auswertung der Meßwerte durch einen Prozeßrechner ermöglicht eine in der Fertigungslinie stattfindende Beurteilung des Materials nach jedem einzelnen Bearbeitungsschritt. By the inventive method and the device for Carrying out the process eliminates the production Editing and subjective assessment of specific processed semiconductor material, such as Silicon test disks, as well as the disposal of toxic Process media such as chromic acids. That claimed Process can be applied to any monocrystalline Apply semiconductor material and can therefore at any Job in a production line for silicon wafers to get integrated. The automated recording, storage and evaluation of the measured values by a process computer enables one taking place in the production line Assessment of the material after each one Processing step.
In Abb. 4 ist eine Vorrichtung in einer, zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglichen Kombination der Einzelvorrichtungen gezeigt. FIG. 4 shows a device in a combination of the individual devices that is possible for carrying out the method according to the invention.
Monokristallines Halbleitermaterial (2) wird automatisch, beispielsweise durch eine Halte- und Transportvorrichtung (1), in eine für die Untersuchung geeignete Position übergeführt. Mit einer Scanvorrichtung (6) wird die zu untersuchende Probe (2) während der Messung gezielt bewegt. Über der zu untersuchenden Probe sind ein µ-Raman-Spektrometer (3) sowie ein Auflichtmikroskop (4) angeordnet. Die einzelnen Meßverfahren werden anschließend nacheinander oder gleichzeitig auf die zu untersuchende Probe (2) angewendet. Nachdem die Meßwerte der Probe erhalten werden, wird entschieden, beispielsweise durch eine computergestützte Analyse über den Vergleich mit einer Datenbank, ob das Material weiterverarbeitet oder verworfen wird. Die Meßwerte werden in einem Prozeßrechner (5) gespeichert. Im letzten Schritt wird die Probe (2) wieder durch die Halte- und Transportvorrichtung aus der Meßvorrichtung (1) entfernt.Monocrystalline semiconductor material ( 2 ) is automatically transferred, for example by a holding and transport device ( 1 ), to a position suitable for the examination. With a scanning device ( 6 ), the sample ( 2 ) to be examined is specifically moved during the measurement. A µ-Raman spectrometer ( 3 ) and a reflected light microscope ( 4 ) are arranged over the sample to be examined. The individual measuring methods are then applied in succession or simultaneously to the sample ( 2 ) to be examined. After the measured values of the sample have been obtained, a decision is made, for example by means of a computer-assisted analysis of the comparison with a database, as to whether the material is further processed or discarded. The measured values are stored in a process computer ( 5 ). In the last step, the sample ( 2 ) is removed from the measuring device ( 1 ) again by the holding and transport device.
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