CN101360994A - 晶片的硅层的探伤装置及探伤方法 - Google Patents
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Abstract
本发明以简便且在短时间内检测存在于晶片的硅层的裂纹或伤痕为目的而形成。所形成的探伤装置包括：配置在距上述硅层的表面有规定距离的线圈传感器、对线圈传感器施加高频波的高频波施加部、一边将上述硅层的表面和线圈传感器之间的距离保持为恒定，一边使两者相对移动的扫描机构部、以及对从上述线圈传感器输出的信号的变化或从上述高频波施加部施加的高频波的变化进行检测，来检测上述硅层所存在的裂纹或者伤痕的裂纹检测部，通过高频波施加部施加的高频波的频率为5MHz～200MHz。从而可进行以往无法实现的硅层探伤。当探伤对象的硅为低电阻硅时，施加的频率为0.5MHz～200MHz。
Description
技术领域
本发明涉及以非接触的方式来探知存在于半导体晶片(以下，适当简称为“晶片”)的硅层上的裂纹或伤痕的装置及其方法。更为详细的，是涉及通过利用涡电流来探知晶片的硅层上所存在的裂纹或伤痕的装置及其检测方法。
背景技术
作为IC(集成电路)基板的晶片，是通过将原料(晶片的原料一般除了硅(Si)外，采用锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等)的结晶圆柱状的坯料进行分割制作而成的具有0.5～1.5mm左右厚度的圆盘。另外，晶片也指对于如上制作出的圆盘，再形成氧化薄层或金属层等的多层构造。
近数十年来，收入于IC内的元件被不停地予以小型化且高集成化。因此，因此半导体晶片的纯度也被要求达到较高的可对应高集成IC的程度，而当晶片的原料是硅时，其纯度被提高到99.999999999％(被称为十一个九)。
像这样被以极高的纯度制造出的晶片中，当然不允许存在任何的物理缺陷。为此，进行用于确认不存在裂纹或伤痕的探伤变得尤为重要。最基本的探伤方法是通过目视进行的，但由于晶片的表面被镜面加工，故很难发现裂纹或伤痕。另外，当裂纹或伤痕不存在于晶片表面而在晶片内部时，也存在通过目视无法发现的问题。
于是，为了进行精密的探伤，而利用激光等来对半导体晶片实施光学探伤。该探伤装置的一例，被公开在专利文献1中。根据该专利文献，是一种利用激光的p偏光成分及s偏光成分来对半导体晶片的表面所存在的缺陷、和内部存在的缺陷两者进行探知的探伤装置，其中通过利用偏光板以明确区别表面缺陷和内部缺陷。
专利文献1：日本特开平11-166902号公报(图1)
根据上述的半导体晶片的光学缺陷探知方法，可以高精度发现晶片的缺陷。然而，在利用以往一般使用的激光的探伤方法中，存在需要对晶片表面的全部细微区域进行扫描的缺点。即，会很花费时间。例如，利用目前所销售的一般半导体晶片的缺陷探知装置，在对一张8英寸的晶片检查时需要20分钟左右的检查时间，而对于一张12英寸的晶片则需要40分钟左右的检查时间。因此，工业方面，只能对半导体晶片的探伤检查进行抽样检查，这样通常会在形成IC芯片并对其动作进行测试阶段逐渐发现晶片存在缺陷这样的事情发生。
因此，希望有一种可以在短时间内且高精度地对存在于半导体晶片的硅层上的裂纹或伤痕进行探伤的方法。作为具有该特征的探伤方法，考虑有最好利用涡电流的探伤。然而，当利用涡电流进行探伤时，如果探伤对象物含有某种例如硅层的话，则会从硅中产生噪声，因此无法进行正确的探伤。因此在该领域技术人员之间，认为硅会给涡电流探伤造成障碍。
基于这种背景，大家达成默契认为具有硅层的半导体晶片，无法进行涡电流探伤。
然而，本发明人们认为产生噪声无非是硅显示出某种反应的证明，基于这样的想法，对硅产生共鸣的条件进行了锐意的研究。结果发现通过设定更高于通常的向传感器线圈输入的电流的频率，可以在硅中产生涡电流，可以进行涡电流式探伤。
发明内容
然而，本发明人们认为产生噪声无非是硅显示出某种反应的证明，基于这样的想法，对硅产生共鸣的条件进行了锐意的研究。结果发现通过设定更高于通常的向传感器线圈输入的电流的频率，可以在硅中产生涡电流，可以进行涡电流式探伤。
从而，可以实现能够活用涡电流探伤装置所具有的多项优点、即原理简单、装置简明、有效的伤检测、高速探伤、非接触探伤等的晶片的硅层探伤装置。
如上构成的本发明所涉及的晶片的硅层的探伤装置，是用于利用涡电流对晶片的本征硅层存在的裂纹或者伤痕进行检测的探伤装置，其特征在于，具备：线圈传感器，其配置在距上述硅层的表面有规定距离的位置；高频波施加部，其对上述线圈传感器施加频率为5MHz～200MHz的高频波；扫描机构部，其一边将上述硅层的表面和上述线圈传感器之间的距离保持为恒定，一边使两者相对移动；裂纹检测部，其对从上述线圈传感器输出的信号的变化或从上述高频波施加部施加的高频波的变化进行检测，来检测上述硅层所存在的裂纹或者伤痕。
另外，本发明所涉及的晶片的硅层的探伤装置的另一方式，提供一种用于对低电阻硅层存在的裂纹或者伤痕进行检测的探伤装置，其特征在于，具备：线圈传感器，其配置在距上述硅层的表面有规定距离的位置；高频波施加部，其对上述线圈传感器施加频率为0.5MHz～200MHz的高频波；扫描机构部，其一边将上述硅层的表面和上述线圈传感器之间的距离保持为恒定，一边使两者相对移动；裂纹检测部，其对从上述线圈传感器输出的信号的变化或从上述高频波施加部施加的高频波的变化进行检测，来检测上述硅层所存在的裂纹或者伤痕。
根据本发明所涉及的晶片的硅层的探伤装置，无需长时间扫描细微区域，即可检测到构成晶片的硅层上存在的裂纹或伤痕的存在。而且，由于构成也比较简单，故在成本方面也非常有利。
另外，在本发明的探伤装置的另一方式中，即便是存在于低电阻硅的裂纹或伤痕，仍可以与上述探伤装置同样极简便地进行对硅层的探伤。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的探伤装置的简略构成的示意图。
图2是裂纹探知部的一个构成例。
图3是裂纹探知部的另一构成例。
图4是裂纹探知部的再一构成例。
图5是表示将由通常的硅构成的晶片(合格样品：(a)、有裂纹的样品：(b))作为目标，在对线圈传感器施加5MHz的高频波时的裂纹输出和测量位置之间的关系的图表。
图6是表示将由通常的硅构成的晶片作为目标，在对线圈传感器施加200MHz的高频波时的裂纹输出和测量位置之间的关系的图表。
图7是表示将由低电阻硅构成的晶片作为目标，在对线圈传感器施加0.5MHz的高频波时的裂纹输出和测量位置之间的关系的图表。
图8是表示将由低电阻硅构成的晶片作为目标，在对线圈传感器施加200MHz的高频波时的裂纹输出和测量位置之间的关系的图表。
图9是表示将通常的由硅构成的晶片作为目标，在对线圈传感器施加200MHz的高频波情况下的、(a)扫描方法构成图(b)扫描方法构成俯视图(c)无裂纹样品的输出信号的频率和探伤位置间关系的图表(d)有裂纹的输出信号的频率和探伤位置间关系的图表。
图10是利用本发明的探伤装置可进行探伤的硅式太阳电池的一例的剖面构成图。
图11是表示将太阳电池晶片作为目标，在对线圈传感器施加8MHz的高频波时的裂纹输出和测量位置之间的关系的图表。
符号说明如下：
1…线圈传感器(coil sensor)；2…高频波施加部；3…扫描机构部；4…裂纹检测部；5…晶片。
具体实施方式
本发明的探伤装置对存在于晶片的硅层上的裂纹或伤痕的缺陷进行检测。如上所述，对于晶片而言，除仅由硅层构成的单层构造以外，还有在硅层的基础上设置金属层或氧化膜层等的多层构造，而本发明的探伤装置，能够以任意的晶片的硅层作为探伤的对象。另外，对于在硅层或其它层的表面形成布线图案等的晶片，也可以作为探知硅层的裂纹或伤痕的对象。此外，在本说明书中裂纹是指裂缝部分，伤痕除指存在于表面的非平滑部位，还指含有混入的异物等的所有缺陷。以下，适当地将“裂纹或伤痕”简单称为“裂纹”。
构成硅层的硅，除了单结晶硅、多结晶硅之外，也可以由非结晶(非晶体)硅来构成。此外，单结晶硅中存在电阻率为10Ω·m左右的所谓通常的硅(以下，记做“通常的硅”)，和电阻率为0.1Ω·m以下的低电阻硅，根据需要区别使用。
在本发明的探伤装置的构成中，参照示意图图1进行说明。本发明的探伤装置的基本构成包括：线圈传感器1、高频波施加部2、扫描机构部3、裂纹检测部4。
线圈传感器1是涡电流传感器用的感应线圈，一端与后述的高频波施加部2连结，另一端与后述的裂纹检测部4连结。并配置在距晶片5的硅层的表面(即、晶片5的表面)有一定距离的位置上。线圈传感器1和晶片5的表面的距离理想为1mm～5mm，但并不受特别的限定。
高频波施加部2是对线圈传感器1施加高频波的机构。在本发明中，由于探伤对象为硅，因此使高频波施加部2施加于线圈传感器1上的高频波的频率提至高于以金属为对象的通常的涡电流探伤装置中的频率(500kHz～1MHz左右)，使用5MHz～200MHz左右的频率。通过使用该程度频率的高频波，从而在晶片的硅层的内部产生涡电流。当晶片的硅层使用低电阻硅时，也可以使从高频波施加部2对线圈传感器1施加的高频波为0.5MHz～200MHz。
裂纹检测部4，是基于从线圈传感器1输出的信号，对晶片的硅层上存在裂纹或伤痕进行检测的机构。由于如果在硅层存在裂纹或伤痕的话，涡电流的状态会发生变化，所以线圈的电感发生变化。由此，从高频波施加部施加的高频波的电压值或频率也发生变化，或者从线圈传感器输出的输出信号的电压值或频率发生变化，通过对该些变化进行检测，从而可以非常简单地进行探伤。在本发明中，裂纹检测部4的构成不受特别的局限，例如可以由以下所举方法来进行。
·对从线圈传感器输出的信号的频率变化进行检测
此时，可以将裂纹检测部4做成例如图2所示的电路构成，从兼做高频波施加部的自激发振荡电路对线圈传感器1施加高频波。一旦在晶片的硅层上存在裂纹或伤痕，则线圈传感器1的线圈的电感发生变化，自激发振荡电路的振荡频率发生变化，这样在波形整形电路中将输出信号整形成矩形波后，在频率计数器(未图示)等中输出的频率发生变化(紊乱)。基于该紊乱，可以进行探伤。
·对从线圈传感器输出的信号的电压值的变化进行检测
如果晶片的硅层上存在裂纹或伤痕，由于在硅层上，由产生的涡电流所产生的磁场的强度发生变化，因此相应地从线圈传感器中输出的信号的电压值也发生变化。通过对该电压值的变化进行检测，可以探知裂纹或者伤痕的存在。为了进行该探知，只要将裂纹检测部4做成例如图3所示的电路构成即可。在图3示出的构成中，由高频波施加部2施加了规定的高频波的线圈传感器1所输出的输出信号，经自激发振荡电路及高频波电压变换电路，从而将电压值输出。另外，也可以将本构成的电路构成做成水晶振荡式电路。
此外，当基于电压值来检测裂纹或者伤痕时，也可以做成对高频波施加部2中的高频波的电压和输出信号的电压进行比较的构成。
另外，由于晶片的硅层上存在裂纹或者伤痕的缘故，从高频波施加部2施加的高频波的电压下降，因此也可以构成为通过检测该电压降来进行探伤。
另外，作为其它的构成，如图4所示，裂纹检测部4可以做成含有同步检波电路的构成。在图4的例中，设置有用于输出线圈传感器1的励磁及同步检波用的同步信号的水晶振荡电路，在同步检波电路中对从水晶振荡电路中输出的同步信号和从线圈传感器1中输出的输出信号的频率进行处理，并分为基本输出(硅层自身的输出)和裂纹输出(基于存在裂纹或者伤痕的输出)进行输出。其中，基于裂纹输出可以进行探伤探知。
另外，在本发明中，裂纹检测部4也可以是含有裂纹判定部的构成，该裂纹判断部在上述的裂纹输出那样的各种处理后/处理前信号的值超过规定的阈值时，自动判定存在裂纹。另外裂纹检测部4也可以构成为仅简单地把频率或电压值的变化输出在显示器等上的构成。后者的情况下，操作人员通过观察显示器上所显示的波形等来判定裂纹或者伤痕的存在。
扫描机构部3，一边保持晶片的硅层的表面和线圈传感器1之间的距离为恒定，一边使两者发生相对移动。在图1的例中，扫描机构部3可以载置圆盘状的晶片5，并由以转轴为中心旋转的旋转部和平行移动部构成，其中平行移动部一边将线圈传感器1到硅层的表面(也就是晶片5的表面)之间的距离保持恒定，一边使之沿晶片5的半径方向移动。旋转部一边旋转，平行移动部一边以恒定的速度进行移动，从而可以扫描晶片5的整个表面。另外，作为扫描机构部3的构成，只要能够对晶片5的硅层的整个表面进行扫描，可为任意构成，并不受上述构成局限。
实施例
以下，对本发明人们关于通常的硅以及低电阻硅所进行的实验结果进行说明。该实验中，将裂纹检测部4做成图2所示的构成，并对裂纹输出(电压)进行测量。
图5表示的是在以通常的硅(电阻率10Ω·m、硅层单层、厚度：0.2mm、晶片的表面和线圈传感器之间的距离：1mm)构成的晶片为样品，并对线圈传感器1施加频率5MHz的高频波时、裂纹输出(电压)和测量位置间的关系的图表。对知晓无裂纹或者伤痕的晶片(图5(a))和存在裂纹的晶片(图5(b))的两样品的结果进行比较，在合格品晶片中没有发现波峰或倾角，而存在裂纹的晶片中，则显现出表示硅层上存在裂纹或伤痕的倾角(图5(b)的圆圈部位)。另外，当频率在5MHz以下时，倾角或波峰变得不明显。
图6表示的是以和上述相同的晶片为对象，表示对线圈传感器1施加频率200MHz的高频波时的裂纹输出(电压)和测量位置间的关系的图表。由图6可知，在存在裂纹的样品中，在裂纹输出的电压值上表现出明显的倾角。
此外，当频率在200MHz以上时，也可以进行裂纹的检测，但由于在线圈传感器1中无法确保能够以非接触的方式进行高灵敏度的探伤的线圈直径(φ＝20mm)(即线圈的匝数在一次以下)，因此，对于由通常的硅构成的硅层的裂纹检测，理想将高频波施加部2所输出的高频波的频率设定在5MHz～200MHz的范围内。
接着，本发明人们以低电阻硅(电阻率0.1Ω·m、硅层单层、厚度：0.2mm、晶片的表面和线圈传感器之间的距离：5mm)构成的晶片为样品，并对线圈传感器1施加频率0.5MHz的高频波(交流电流)。此时的裂纹输出和测量位置间的关系被示于图7中。知晓不存在裂纹或伤痕的合格样品的情况下的裂纹输出的电压值几乎为恒定，与此相对，在存在裂纹的晶片中，裂纹输出则产生较大的紊乱。另外，图8中，表示将高频波的频率设定为200MHz时的裂纹输出和测量位置间的关系的图表。由图8的图表可获知，存在裂纹的晶片的情况下的波形有很大的紊乱。这样，本发明所涉及的晶片的硅层的探伤装置，在硅由低电阻硅构成的情况下，也可以有效地进行探伤。
在频率为0.5MHz以下时或者频率在200MHz以上时也可以进行裂纹的检测，但由于线圈传感器1中的线圈的匝数过少(匝数在一次以下等)，因此对于由低电阻硅构成的硅层的裂纹检测，理想将高频波的频率设定在0.5MHz～200MHz的范围内。
在上述实施例中，虽然将扫描机构部的样品的转速设定在4rpm，但实际上可以以120rpm左右的转速进行动作。由于利用一般的线圈传感器1可探伤的直径为10mm左右，因此对直径在300mm的晶片进行探伤所需要的时间，在晶片半径为150mm、一周旋转的时间为0.5秒的情况下，为150/10×0.5＝7.5秒。可显示出在利用本发明的探伤装置的情况下，与以往的晶片用探伤装置相比，能够以极大不同的高速进行探伤。
另外，发明人们通过测量输出信号的频率来进行探伤。在本实验中，晶片5静止在载台上而并非旋转，使扫描机构部3以恒定速度沿X方向直线扫描(参照图9(a)和(b))，同时记录晶片5的各部位的输出频率。对线圈传感器1施加200Hz的高频波。
将以知晓不存在裂纹或伤痕的晶片的输出频率的图表示于图9(c)，并将有伤痕的晶片的输出频率的图表示于图9(d)。当没有裂纹时，输出信号的频率在某种程度上恒定，与之相对，当存在裂纹时会观察到输出信号的频率出现很大的紊乱，确认足可进行裂纹的检测。
以上，虽然对本发明所涉及的晶片的硅层的探伤装置进行说明，但明显上述只不过是示例，在本发明的精神内可以进行适当的变更或改良。
另外，作为本发明所涉及的探伤装置及探伤方法中的探伤对象，并不局限于IC基板中用到的硅晶片，可以以各种晶片作为目标，来检测该晶片层上存在的裂纹或伤痕。例如，也可以进行以图10所示的具有剖面构成的硅式太阳电池中用到的晶片为对象的探伤。
以图10所示的厚度1mm的太阳电池为目标进行探伤实验，该太阳电池在表层具有一电极以及光吸收色素，并在表层到最下层的+电极层之间具有反射防止膜、N型·P型硅(多结晶硅)层。将该太阳电池载置于在绝缘体(陶瓷)之上搁置有玻璃板而形成的转盘上，以4rpm的转速使转盘旋转，并对线圈传感器1施加频率8MHz的高频波。图11中示出表示此时的输出电压(纵轴)和测量位置(横轴)间关系的图表。如图11的图表所示的那样，在晶片中不存在伤痕的部位及图案(银浆)形成部和存在裂纹的部位之间，输出的朝向相反(成为波峰或者倾角)。由此可见，即便以在晶片表面存在图案这样的太阳电池作为对象，仍可以通过本发明涉及的探伤装置及探伤方法进行硅层的探伤。
Claims (10)
1.一种晶片的硅层的探伤装置，该探伤装置用于利用涡电流对晶片的本征硅层存在的裂纹或者伤痕进行检测，其特征在于，具备：
线圈传感器，其配置在距上述硅层的表面有规定距离的位置；
高频波施加部，其对上述线圈传感器施加频率为5MHz～200MHz的高频波；
扫描机构部，其一边将上述硅层的表面和上述线圈传感器之间的距离保持为恒定，一边使两者相对移动；
裂纹检测部，其对从上述线圈传感器输出的信号的变化或从上述高频波施加部施加的高频波的变化进行检测，来检测上述硅层所存在的裂纹或者伤痕。
2.一种晶片的硅层的探伤装置，该探伤装置用于利用涡电流对晶片的低电阻硅层存在的裂纹或者伤痕进行检测，其特征在于，具备：
线圈传感器，其配置在距上述硅层的表面有规定距离的位置；
高频波施加部，其对上述线圈传感器施加频率为0.5MHz～200MHz的高频波；
扫描机构部，其一边将上述硅层的表面和上述线圈传感器之间的距离保持为恒定，一边使两者相对移动；
裂纹检测部，其对从上述线圈传感器输出的信号的变化或从上述高频波施加部施加的高频波的变化进行检测，来检测上述硅层所存在的裂纹或者伤痕。
3.根据权利要求1或2所述的晶片的硅层的探伤装置，其特征在于，
上述裂纹检测部是根据从线圈传感器中输出的信号频率的变化或者从上述高频波施加部施加的高频波的频率变化，来检测上述硅层所存在的裂纹或伤痕。
4.根据权利要求1或2所述的晶片的硅层的探伤装置，其特征在于，
上述裂纹检测部是根据从上述线圈传感器中输出的信号的电压值的变化或者从上述高频波施加部施加的高频波的电压值变化，来检测上述硅层所存在的裂纹或伤痕。
5.根据权利要求1～4中任意一项所述的晶片的硅层的探伤装置，其特征在于，上述硅层由单结晶硅或多结晶硅构成。
6.根据权利要求1～5中任意一项所述的晶片的硅层的探伤装置，其特征在于，上述晶片是硅式太阳电池的晶片。
7.一种晶片的硅层的探伤方法，是对晶片的本征硅层所存在的裂纹或伤痕的探伤方法，其特征在于，
对配置在距上述硅层的表面有规定距离的位置的线圈传感器施加频率在5MHz～200MHz的高频波，在该硅层生成涡电流，
一边将上述硅层的表面和上述线圈传感器之间的距离保持恒定，一边使两者相对移动，
通过对从上述线圈传感器输出的信号的变化或从上述高频波施加部施加的高频波的变化进行检测，来检测上述硅层所存在的裂纹或者伤痕。
8.一种晶片的硅层的探伤方法，是对晶片的低电阻硅层所存在的裂纹或伤痕的探伤方法，
对配置在距上述硅层的表面有规定距离的位置的线圈传感器施加频率在0.5MHz～200MHz的高频波，在该硅层生成涡电流，
一边将上述硅层的表面和上述线圈传感器之间的距离保持恒定，一边使两者相对移动，
通过对从上述线圈传感器输出的信号的变化或从上述高频波施加部施加的高频波的变化进行检测，来检测上述硅层所存在的裂纹或者伤痕。
9.根据权利要求7或8所述的晶片的硅层的探伤方法，其特征在于，上述硅层由单结晶硅或者多结晶硅构成。
10.根据权利要求7～9中任意一项所述的晶片的硅层的探伤方法，其特征在于，上述晶片是硅式太阳电池的晶片。
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