Оксанич Анатолій Петрович. Методи і апаратура контролю структурно- геометричної досконалості напівпровідникових матеріалів і структур в умовах їх серійного виробництва

Краткое описание

Оксанич Анатолій Петрович. Методи і апаратура контролю структурно- геометричної досконалості напівпровідникових матеріалів і структур в умовах їх серійного виробництва : Дис... д-ра наук: 05.27.06 - 2002.

Оксанич А.П.Методи і апаратура контролю структурно-геометричної досконалості напівпровідникових матеріалів і структур в умовах їх серійного виробництва.- Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук зі спеціальності 05.27.06. Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки. Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2002.
Дисертація присвячена розробці науково обгрунтованих методів для контролю деформацій, механічних напруг, структурної досконалості і створення на їх основі принципів конструювання вимірювального і ростового обладнання, яке дозволяє неруйнівним методом експресно контролювати на усіх стадіях напівпровідникового виробництва геометричні параметри і внутрішню напругу напівпровідникових пластин і структур, а також створенню апаратури для контролю структурної досконалості напівпровідникових кристалів в процесі вирощування.
Розроблені методики і конструкції пласких інфрачервоних полярископів «Мираж-1» та «Мираж-2», за допомогою яких досліджено технологічні процеси високотемпературного оброблення. Проведено теоретичний аналіз та експериментально підтверджено взаємозв’язок полів внутрішніх напруг з щільністю дислокаційNд.Розроблена методика контролю щільності дислокацій, в процесі дослідження жорсткості кремнієвих структур виявлено нове явище: зміна форми (вигину) КС після прикладення імпульсу навантаження з високою швидкістю. Розроблена і впроваджена у виробництво на ЗАТ «Чисті метали» автоматизована інформаційно-аналітична система для вирощування зливків кремнія великого діаметру АСУ «Кремінь», що дозволило значно знизити брак вирощуваних злитків кремнію по діаметру і поліпшити структурну досконалість монокристалів.

Аналіз існуючої технології виробництва інтегральних схем на різних стадіях (різання, дифузія, окислення, епітаксія) показав, що на цих стадіях виникають значні внутрішні напруги, які призводять до утворення дефектівна на поверхні кремнієвих структур, а порушення технології призводять до складних форм деформації КС.

У результаті порушень технології вирощування зливків кремнію великого діаметру в кристалах з'являються «свірл-дефекти», що є спіралями або кільцями, які складаються з дискретних мікродефектів.

Більшість методів, що застосовуються при визначенні структурних недосконалостей (дислокації, мікродефекти, лінії ковзання), а також при визначенні геометричних параметрів КС, є руйнівними чи малопродуктивними, що не дозволяє використовувати їх у налагодженні технологічних процесів і на вихідному контролі. Значного економічного ефекту у виробництві ІС можна досягти лише за рахунок 100% неруйнівних, експресних методів контролю структурної досконалості і геометричних параметрів КС. Впровадження методів і пристроїв вимірювання рівня розплаву, стабілізації діаметру зливка і пристроїв контролю температури розплаву дозволить створити автоматизовані комплекси по вирощуванню бездефектних зливків кремнію з заданим діаметром.
Проведений математичний аналіз методу фотопружності дозволив визначити головні значення діелектричної непроникностіі, що в свою чергу дало можливість вперше визначити значення головних показників заломленняідля випадку плоскополяризованого інфрачервоного випромінювання. Вперше отримані математичні вирази чутливості кремнієвих пластин до внутрішніх напруг як для орієнтації (100) - С100, так і для орієнтації (111) - С111.

Розроблено теорію і конструкцію плаского полярископа для інфрачервоного випромінювання. Розроблений прилад «Мираж-1» застосовано для контролю внутрішніх напруг у технологічних процесах виробництва ІС.

Для автоматизації процесів вимірювання внутрішніх напруг була розроблена оптична схема полярископа з обертовими аналізаторами і визначена математична залежність для обчислення різниці головних напруг.

Розроблений промисловий автоматичний полярископ «Мираж-2» має можливість представляти ці значення по всій поверхні КС.
Для підвищення точності вимірювання внутрішніх напруг був використаний GaAlAs-лазер з l=1,3 мкм; розроблені оптична схема установки та електрична схема підсилювачів дали можливість підвищити чутливість при вимірюванні різниці головних напругдо 7*103Па .

Вперше була розроблена схема калібрування установки «Мираж-2». Розроблені методика атестації і конструкція калібрувальних зразків і визначені значення п’єзооптичних коефіцієнтів

для кремнію і арсеніду галію. Визначено індивідуальні значення головних напругі.

Із застосуванням розробленої установки «Мираж-1» досліджено технологічні процеси високотемпературної обробки КС. Визначено причини, які призводять до виникнення значних температурних і, як наслідок, механічних напруг.

Створені «карти» двопроменезаломлення, що застосовуються для коректування технологічних процесів.
Визначено величину критичного значення внутрішніх напруг, які відповідають «жорсткому» термоудару ».

Проведено теоретичний аналіз та експериментально підтверджено взаємозв'язок полів внутрішніх напруг із щільністю дислокацій. Розроблено методику контролю щільності дислокацій на установці «Мираж-2». Результати дисперсійного аналізу визначили залежність для середнього значення щільності дислокацій. Стандартне відхилення оцінкиза допомогою даної моделі складає ±1,26 103см-2. При цьому поріг чутливості розробленої методики по визначеннюскладає 0,42 см-2.
Визначено математичну модельі розроблено конструкцію приладу «Сигма-1» для експресного контролю внутрішніх напруг у кремнієвих пластинах, що базується на визначенні внутрішніх напруг через зусилля, прикладене для вирівнювання пластини.

В процесі дослідження жорсткості КС виявлено нове явище: зміна форми (вигину) КС після прикладання імпульсу навантаження з високою швидкістю, що дозволяє зробити висновок про деякий «метастабільний» стан КС, який зазнає пластичного вигину.

На основі дослідження ефекту низькотемпературної пластичності кремнію уточнено методи контролю деформацій КС, що знаходяться в метастабільному структурному стані. Запропоновано низькотемпературні методи модифікації кристалічної структури і внутрішніх напруг у КС, що дозволяють суттєво знизити деформацію КС.
Розроблені і метрологічно атестовані методики контролю геометричних параметрів КС при вакуумному навантаженні (СВППв) і у вільному стані (СВППс), що полягають у контролі відстаней відповідним чином розташованих точок поверхні КС до базової площини. Як давач контролю відстані від КС до базової площини розроблено надчуттєвий мікросиловий компаратор (МСК).
Розроблено ряд промислових установок «Экспресс-3», «Экспресс-4», «Номинал-1», «Номинал-2» із застосуванням МСК, які захищені авторськими свідоцтвами і дозволяють робити 100% як виробничий, так і вихідний контроль КС. Розроблені компоненти електронних схем і роторно-конвейєрний принцип дозволили створити автоматизовану установку «Экспресс-5» для сортування КС за заданими геометричними параметрами з діаметром КС до 150 мм.
Розроблено оптичну схему і конструкцію пірометра з кремнієвим світлофільтром і електромеханічним модулятором для підвищення чутливості в області температур 1200-1400С. Пірометр атестований з основною похибкою, що не перевищує ±7С. Введення автоматичного (безінерційного) контролю температури дозволило знизити осьовий градієнт температури до 50 К/см на периферії зливка і поліпшити умови тепломасоперенесення.
Розроблено метод і конструкцію пристрою для визначення рівня розплаву кремнію за телевізійним зображенням шляхом оцифрування зображення ділянки поверхні розплаву зони росту монокристала. Метод не вимагає внесення значних змін у конструкцію установки «Редмет-30» і з успіхом може застосовуватися на існуючих установках типу «Редмет». Похибка методу при визначенні рівня розплаву не перевищує 1 мм.
Розроблено алгоритм і пристрій вимірювання діаметра циліндричної частини монокристала кремнію, зовнішнього і внутрішнього діаметру меніска, що базується на аналізі відеозображення зони переходу меніск-монокристал. Алгоритм вимірювання побудований таким чином, що пристрій автоматично розрізняє фазу вирощування шийки, фазу вирощування прямого конуса, момент виходу на циліндричну частину, динаміку росту циліндричної частини. На всіх стадіях визначається середній діаметр при орієнтації (111) границі меніска. Похибка методу ±2 мм.
Розроблено і впроваджено у виробництво на ВАТ «Чисті метали» автоматизовану інформаційно-аналітичну систему для вирощування зливків кремнію великого діаметра АСУ «Кремінь». Система забезпечена сучасним користувальницьким інтерфейсом, що дозволяє залежно від категорії користувача (оператор, технолог, наладчик) реалізувати функції керування технологічним процесом. Впровадження АСУ «Кремінь» дозволило значно знизити брак вирощуваних зливків кремнію по діаметру і поліпшити структурну досконалість монокристалів.

Загальний річний економічний ефект від впровадження на ВАТ «Чисті метали» розроблених у роботі методик і пристроїв складає 580 тис. грн.