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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur ortsaufgelösten
Messung der Lumineszenz einer Halbleiterprobe, insbesondere eines
Halbleiter-Wafers oder eines Teils davon,
- – mit
einem rotierbaren Aufnahmeteller für die Halbleiterprobe,
- – mit einer Einrichtung zur Fixierung der Halbleiterprobe
auf dem Aufnahmeteller,
- – mit einem Antrieb zur Rotation des Aufnahmetellers,
- – mit einem ersten Lineartisch zum Verfahren des rotierbaren
Aufnahmetellers,
- – mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Lumineszenz-Licht
auf der Halbleiterprobe,
- – mit einem ersten Detektor zur Messung des Lumineszenz-Lichts,
- – mit einer optischen Einrichtung, um das Lumineszenz-Licht
der Halbleiterprobe dem ersten Detektor zuzuführen,
- – mit einem in der Höhe verstellbaren Fokuspunkt im
Bereich der Oberfläche der Halbleiterprobe.
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Mit
dem Begriff „ortsaufgelöst" ist gemeint, dass
die gemessenen Lumineszenzdaten einzelnen Punkten der Halbleiteroberfläche
eindeutig zugeordnet werden können. Unter Zugrundelegung
eines kartesischen Koordinatensystems wird z. B. mit der Lumineszenzmessung
die x- und y-Koordinate des Messpunkts erfasst in Bezug auf einen
Bezugspunkt der Halbleiterprobe. Der Bezugspunkt kann z. B. der Mittelpunkt
der Halbleiterprobe sein. Mit dem Begriff „ortsaufgelöst"
ist auch gemeint, dass die Halbleiterprobe oder ein Teil von ihr
insbesondere flächig abgerastert und so gemessen werden
kann.
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Als
Halbleiterprobe wird hier eine plane und flache Probe bezeichnet,
die ganz aus einem oder mehreren halbleitenden Materialien besteht,
oder die im Oberflächenbereich mit mindestens einer halbleitenden
Schicht beschichtet ist. Diese Probe kann entweder eine planare
unstrukturierte Probe sein, oder es kann eine Probe sein, auf der
bereits sogenannte Photolithographie-Schritte durchgeführt
wurden, oder es kann auch eine Probe sein, die mit metallischen
Kontaktschichten versehen ist und elektrisch kontaktiert werden
kann. Die Oberfläche der Probe kann mit weiteren lichtdurchlässigen
Schichten beschichtet sein, zum Beispiel mit dielektrischen Schichten,
die in der Halbleitertechnik üblicherweise zur Passivierung
verwendet werden.
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Stand der Technik
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Zur
Messung der Lumineszenz von Halbleiterproben sind zwei im folgenden
nach Typ A und Typ B beschriebene Messgerät-Typen bekannt.
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Beim
Typ A wird die Halbleiterprobe auf einem xy-Kreuztisch zu einem
bestimmten Punkt gefahren, angehalten, und dann wird eine Lumineszenz-Messung
durchgeführt. Dies geschieht, indem z. B. die Probenoberfläche
mittels eines fokussierten Laserstrahls zur Lumineszenz angeregt
wird, und indem das so erzeugte Lumineszenz-Licht in einem Spektrometer
untersucht wird. Ein entsprechendes Gerät ist in der Veröffentlichung „Publikation
des Lehrstuhls für Moderne Optik und Quantenelektronik (IS
Leitenstorfer) – Fachbereich Physik – Uni Konstanz"
(„http://www.uni-konstanz.de/quantumelectro-nics/index3.php?lg=en&sub=4&sub2=1") im Zusammenhang
mit 2 beschrieben. Das Laserlicht trifft mit seiner
Wellenlänge von 488 nm oder 532 nm durch einen halbdurchlässigen
Spiegel auf ein Objektiv, welches so eingestellt ist, dass das Laserlicht auf
die Probe fokussiert wird. Das identische Objektiv wird verwendet,
um das durch diese Anregung entstehende Lumineszenz-Licht zu sammeln.
Das Lumineszenz-Licht hat eine kleinere Energie, d. h. höhere Wellenlänge,
als das anregende Laserlicht. Der halbdurchlässige Spiegel
ist so ausgeführt, dass er das Laserlicht hindurchlässt,
aber längerwelliges Licht reflektiert, so dass das Lumineszenz-Licht
durch den Spiegel zur Analyse dem Spektrometer zugeführt wird
und das anregende Laserlicht das Spektrometer nicht erreicht. So
kann das Spektrometer auf eine sehr hohe Empfindlichkeit eingestellt
werden, ohne dass das Messergebnis durch die hohe Intensität
des anregenden Laserlichts gestört wird. Das Laserlicht trifft
senkrecht auf die Halbleiterprobe auf. Es ist wichtig, dass sich
die Halbleiterprobe im Fokus des Objektivs befindet. Die Höhe
des Objektivs kann daher verstellt werden, um die Fokussierung einzustellen.
Die Probe und der xy-Kreuztisch sind in einem Tieftemperatur-Kryostat
montiert. Die Probe kann auf Helium-Temperatur (4.2 K) abgekühlt
sein. Es werden üblicherweise nur kleinere Stücke
eines Halbleiterwafers gemessen, die in den relativ kleinen Kryostat
passen. Es ist nicht möglich, einen gesamten Halbleiterwafer
der üblichen Größe, also mit einem Durchmesser
von 2 bis 12 Zoll, zu messen. Der Versuchsaufbau ist ein Laboraufbau
und nicht dazu gedacht, als komplettes Gerät verkauft zu
werden.
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Ein
Messgerät entsprechend Typ A ist auch aus Appl.
Phys. A 40, S. 191–195 (1986), insbesondere S. 191, rechte
Spalte, letzter Absatz, bis S. 192, linke Spalte, letzter Absatz,
bekannt. Die Messung wird hier als „PLtop"-Messung bezeichnet.
Hier wird Laserlicht mit einer Wellenlänge von 514.5 nm
unter einem Winkel von etwa 45° auf die Oberfläche
eines Wafers fokussiert eingestrahlt. Angeregte Luminenszenz-Strahlung
wird erfasst, über 2 Filter geleitet und dann fokussiert
in einen Photomultiplier gegeben. Hervorzuheben ist, dass hier zwar – gesteuert durch
einen Rechner – eine ortsaufgelöste Messung, diese
aber nur bei Raumtemperatur (300 K) durchgeführt wird. Über
die Gesamtdauer der Abrasterung der Halbleiterprobe wird in diesem
Artikel nichts ausgesagt. Doch dauert erfahrungsgemäß die
Abrasterung eines ganzen Halbleiterwafers bei einem solchen Aufbau
mit xy-Kreuztisch relativ lang.
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Beim
Typ B wird die Halbleiterprobe zur ortsaufgelösten Messung
auf einen horizontalen drehbaren Aufnahmeteller aufgesetzt. Dieser
Aufnahmeteller rotiert um seine Vertikalachse, und gleichzeitig wird
er in einer Richtung in der xy-Ebene verschoben. Eine solche Einrichtung
nach Typ B, von der die Erfindung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 ausgeht, ist aus Applied Physics A50, S. 531–540 (1990), 1,
in Verbindung mit Abschnitt 1.1 und 1.2, bekannt. Das Verfahren
wird dort als PLT-Verfahren bezeichnet (Photolumineszenz-Topographie). Der
rotierende Waferteller wird in dieser einen Richtung verfahren,
bis die ganze Halbleiterprobe spiralförmig unter einem
fixen Messpunkt (Fokussierpunkt) hindurch gefahren ist. An diesem
fixen Messpunkt wird die Halbleiterprobe senkrecht von einem fokussierten
Laserstrahl der Wellenlänge 325.0 nm, 441.6 nm oder 632.8
nm getroffen. Der Laserstrahl hat im fixen Messpunkt infolge der
Fokussierung durch eine spezielle optische Einrichtung bei Auftreffen
auf der Halbleiterprobe eine längliche Form von 30 μm·200 μm,
wobei die längliche Richtung in Radialrichtung verläuft.
Durch die senkrecht über dem fixen Messpunkt angebrachte
optische Einrichtung wird erzeugtes Lumineszenz-Licht gesammelt,
das Laserlicht daraus ausgefiltert und dann einem Photomultiplier als
Detektor zugeführt. Nach dieser Literaturstelle kann als
Halbleiterprobe ein gesamter Halbleiterwafer vollständig
abgerastert und gemessen werden.
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Der
Gerätetyp B ist vergleichsweise schnell, weil der Halbleiterwafer
bei der Messung nicht angehalten wird. Aber mit dem Gerätetyp
B ist es nicht möglich, Halbleiterproben bei Tieftemperaturen
bis herunter zum Siedepunkt von Helium (4.2 K) und darunter zu messen.
Zum Erreichen der hier betrachteten niedrigen Temperaturen müsste
der Aufnahmeteller samt Halbleiterprobe kontrolliert in sehr gutem Wärmekontakt
mit verfüssigtem Gas stehen. Üblicherweise wird
flüssiger Stickstoff oder flüssiges Helium verwendet.
Dazu wäre eine ständige mechanische Verbindung
zwischen dem Aufnahmeteller und einer Zuleitung zu einem Flüssiggas-Vorratsbehälter erforderlich.
Es ist praktisch unmöglich, diese mechanische Verbindung
so zu führen, dass der Aufnahmeteller rotieren kann. Auch
ist das Flüssiggas-Vorratsgefäß so schwer
und groß, dass es nicht praxisgerecht wäre, es
mit der Aufnahmeteller schnell rotieren zu lassen.
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In
der Praxis wird bisher manchmal ein Gerät für
schnelle Raumtemperatur-Messungen an relativ großen Halbleiterproben
mit rotierendem Aufnahmeteller zusätzlich zu einem Gerät
ohne Rotation für Tieftemperaturmessungen an relativ kleinen
Halbleiterproben eingesetzt. Dies hat aber den Nachteil, dass der
Aufwand sehr hoch ist. Oft werden solche Messungen im Reinraum durchgeführt,
wo Platz sehr teuer und begrenzt ist. Außerdem sind die
optische Einrichtung zur Fokussierung von Anregungslicht, die Anregungs-Lichtquellen
(Laser), die optische Einrichtung zum Sammeln des Lumineszenz-Lichts
und die heute als Präzisions-Detektoren eingesetzten Spektrometer
teilweise sehr komplizierte, empfindliche und kostenintensive optisch-mechanische
Geräte, die aufwendige Justierung und Kalibrierung erfordern.
Bei Vorhandensein zweier Geräte wäre der Aufwand
mindestens doppelt so groß. Auch ist es in vielen Fällen
wünschenswert, Messungen bei Raumtemperatur mit Messungen
bei Tieftemperatur zu vergleichen. Dafür ist es ungünstig,
zwei verschiedene optische Systeme und/oder Detektoren zu verwenden.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ausgehend von einer Einrichtung der eingangs
genannten Art ein Messgerät von relativ geringem technischen
Aufwand zur ortsaufgelösten Messung des Lumineszenz-Lichts
von Halbleiterproben anzugeben, mit dem
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sowohl bei Raumtemperatur,
- (b) als auch bei Bedarf bei Tieftemperatur im Bereich der flüssigen
Heliums oder Stickstoffs
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gemessen
werden kann, wobei die Messung eines gesamten Halbleiterwafers bei
Raumtemperatur mit relativ hoher Geschwindigkeit durchführbar sein
soll. Die Umschaltung von der einen Betriebsart in die andere soll
ohne großen technischen Aufwand, also z. B. ohne eine aufwendige
manuelle Nachjustierung von optischen Einrichtungen, möglich
sein.
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Lösung
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Die
genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst
bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art
- – durch
einen unter rotierbaren Aufnahmeteller angeordneten zweiten Lineartisch,
der zusammen mit dem ersten Lineartisch einen xy-Kreuztisch bildet,
auf dem der Aufnahmeteller rotierbar angeordnet ist, und
- – durch eine Befestigungseinrichtung, die es erlaubt,
den rotierbaren Aufnahmeteller von dem xy-Kreuztisch abzunehmen
und dort wieder aufzusetzen, oder dort durch einen Kryostaten mit
einer weiteren Halbleiterprobe zu ersetzen, wobei dann die Oberfäche
der weiteren Halbleiterprobe im wesentlichen im Fokuspunkt liegt.
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Hierbei
handelt es sich um ein doppelfunktionales Messgerät. Als
ein besonderer Vorteil wird es angesehen, dass für beide
Arten von Messungen nur ein einziger Detektor, nämlich
vorzugsweise ein Spektrometer eingesetzt wird.
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Bei
Tieftemperaturmessungen wird die weitere Halbleiterprobe, z. B.
ein Teil eines gesamten Wafers, in den genannten Kryostaten montiert.
Der Kryostat muss aus Wärmeisolationsgründen vor
dem Abkühlen gut evakuiert werden und zum optischen Zugang
zur Halbleiterprobe über der horizontal angeordneten Halbleiterprobe
ein optisches Fenster besitzen. Das optische Fenster sollte möglichst
nicht zu dick sein, damit es die optischen Messungen möglichst
wenig beeinträchtigt. Da das optische Fenster nach Evakuieren
des Kryostaten durch den Luftdruck erheblich mechanisch belastet
wird, darf es nicht zu groß sein. Dies begrenzt die scanbare
Größe der dort montierten Halbleiterprobe. Das
Evakuieren, der darauf folgende Abkühlvorgang und auch
der Aufheizvorgang nach Ende der Messung benötigen eine
beträchtliche Zeit. Gegenüber diesem Zeitaufwand spielt
bei einer solchen Tieftemperaturmessung die reine Messzeit mit dem
Abscannen in x- und y-Richtung keine nennenswerte Rolle.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass
der Kryostat zum Abkühlen der weiteren Halbleiterprobe
auf sehr niedere Temperaturen mittels flüssigem Helium
oder flüssigem Stickstoff eingerichtet ist.
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Die
Befestigungseinrichtung kann eine Befestigungsplatte umfassen, an
die ein erster Haltekörper oder bei dem Ersatz des rotierbaren
Haltetellers durch den Kryostaten ein zweiter Haltekörper
bevorzugt mittels Passstiften mit Gewindeansatz und Rändelmuttern
befestigbar ist.
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Bevorzugt
ist der rotierbare Aufnahmeteller mit einem Präzisionskugellager
an dem ersten Haltekörper befestigt. Es ist auch von Vorteil,
wenn die Befestigungsplatte eine untere und obere Befestigungsplatte
sowie Federscheiben oder Federn umfasst, um die Neigung der Oberfläche
des Aufnahmetellers auszurichten. Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der rotierbare Aufnahmeteller eine
Messeinrichtung umfasst, um eine Referenzwinkel-Position zum ersten
Haltekörper exakt festzulegen. Zweckmäßigerweise
besitzt diese Messeinrichtung einen am rotierbaren Aufnahmeteller
montierten Magneten und einen an dem ersten Haltekörper montierten
Hallsensor.
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Der
zweite Haltekörper für den Kryostaten kann aus
einer unteren und oberen Platte zusammengesetzt sein, um insbesondere
mittels Befestigungsschrauben und Federscheiben oder Federn die Neigung
und Höhe auszurichten.
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Prinzipiell
kann die Anregung des Lumineszenz-Lichts durch Elektrolumineszenz
erfolgen. Demgegenüber ist hier ganz bevorzugt mindestens eine
Laser-Lichtquelle zur Anregung vorgesehen. Ihr Laserlicht kann dabei über
Spiegel in den Strahlengang hin zur Oberfläche der Halbleiterprobe
geführt sein. Der Spiegel kann dabei beweglich sein.
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Die
optische Einrichtung kann mindestens ein Objektiv umfassen, durch
welches Laserlicht senkrecht auf die Oberfläche der Halbleiterprobe
gestrahlt und gleichzeitig das angeregte Lumineszenz-Licht gesammelt
wird.
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Es
kann auch eine Laser-Lichtquelle verwendet werden, deren Laserlicht
die Oberfläche der Halbleiterprobe schräg, vorzugsweise
unter einem Winkel von 45°, an einem Anregungspunkt trifft,
und es kann dabei eine optische Einrichtung verwendet werden, die
ein Objektiv umfasst, dessen Fokuspunkt im Bereich dieses Anregungspunkts
angeordnet ist, um das angeregte Lumineszenz-Licht zu sammeln.
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Es
kann auch ein zweiter Detektor eingebaut sein, so dass zusätzlich
zur Messung mit dem Spektrometer mit diesem zweiten Detektor die
Gesamtintensität des von der Oberfläche der Halbleiterprobe reflektierten
Laserlichts messbar ist.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn die optische Einrichtung mindestens
zwei Objektive umfasst, die mittels verfahrbarer Spiegel wahlweise
einsetzbar sind.
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Es
ist sehr günstig, wenn die Halbleiterprobe auf dem rotierbaren
Aufnahmeteller mittels einer schaltbaren Vakuum-Einrichtung fixierbar
ist. Auch ist es von Vorteil, wenn der rotierbare Aufnahmeteller oben
mit einer Markierung versehen ist, um sicherzustellen, dass die
Halbleiterprobe zentriert aufsetzbar ist.
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Prinzipiell
kann die Lumineszenz der Halbleiterprobe ohne elektrische Kontaktierung
gemessen werden. Für gewisse Anwendungen, wie ortsaufgelöste
Elektrolumineszenz oder Photostrommessung, ist es aber ein wesentlicher
Vorteil, wenn die Halbleiterprobe auf dem rotierbaren Aufnahmeteller
durch mindestens zwei elektrische Kontakte kontaktierbar ist.
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Ein
sehr großer Vorteil ist es, wenn eine Videokamera mit optischer
Fokussiervorrichtung vorhanden ist, und wenn in den Strahlengang
des von der Halbleiterprobe reflektierten Laserlichts ein optisches
Element einführbar ist, so dass über das an der
Halbleiterprobe reflektierte Laserlicht die Fokussierung der optischen
Einrichtung visuell nachprüfbar ist. Es ist weiterhin vorteilhaft,
wenn zumindest ein Teil der optischen Einrichtung auf einer Objektivplatte montiert
ist, deren Höhe verstellbar ist, insbesondere mit einem
Motor. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ergibt sich, wenn das Signal
der Videokamera einem automatischen Regelsystem zugeleitet ist,
dass die Höhe der Objektivplatte aufgrund des Ausgangssignals
der Videokamera automatisch so verstellt, dass sich die Probe im
Fokuspunkt des verwendeten Objektivs befindet. Es ist auch sehr
sinnvoll, für die Einstellung der Höhe der Objektivplatte
drei Linearaktatoren vorzusehen.
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Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform der Einrichtung ist
gegeben, wenn ein Teil des Lumineszenz-Lichts über ein
in den Strahlengang vor dem Spektrometer eingeführtes optisches
Element auf einen dritten Detektor gegeben werden kann. Besondere
Vorteile ergeben sich, wenn das Ausgangssignal des dritten Detektors
mit sehr hoher Geschwindigkeit, insbesondere im Nanosekunden-Bereich,
erfassbar ist, so dass die Transiente der Intensität des Lumineszenz-Lichts
ab einem Schaltzeitpunkt messbar ist. Ganz besonders vorteilhaft
ist es, wenn der Schaltzeitpunkt dadurch erzeugt wird, dass das
Laserlicht mindestens einer Laser-Lichtquelle synchron zum Start
der Messung der Abgklingtransiente unterbrochen wird.
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Der
erste Detektor ist ganz bevorzugt ein Spektrometer. Es ist sehr
sinnvoll, dass dieser Detektor und gegebenenfalls weitere Bauteile,
wie Sensoren, von einem Rechner gesteuert sind. In diesem Fall,
und wenn es sich um ein Spektrometer handelt, ist es ein wesentlicher
Vorteil, wenn aus den Messdaten des Spektrometers durch den Rechner
die Peak-Wellenlänge mindestens einer Spektrallinie, die
volle Halbwertsbreite, die integrierte Intensität mindestens
einer Spektrallinie und/oder die integrierte Intensität
des gesamten Spektrums berechenbar sind und in Abhängigkeit
von dem Ort der Messung auf der Halbleiterprobe kontinuierlich erfassbar
sind.
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Wenn
die Einrichtung den dritten Detektor zur Messung der Transiente
umfasst, ist es ein erheblicher Vorteil, wenn aus dieser Transiente
die Lebensdauer von mindestens einem Prozess in der Halbleiterprobe
bestimmbar ist und in Abhängigkeit von dem Ort der Messung
auf der Halbleiterprobe kontinuierlich erfassbar ist.
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Es
ist ein weiterer sehr großer Vorteil, wenn auf dem Rechner
eine Datenverarbeitungssoftware verwendet wird, mit der die gemessenen
Daten in Abhängigkeit von dem Ort der Messung auf der Halbleiterprobe
in mindestens einer zweidimensionalen farbigen Abbildung oder in
mindestens einer dreidimensionalen Abbildung darstellbar sind. Ein
weiterer ganz besonderer Vorteil ergibt sich, wenn die für
verschiedene Messgrößen erzeugten Bilder automatisch
verglichen und miteinander in Beziehung gesetzt werden.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden
anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Schnitt durch eine Einrichtung nach der Erfindung in Prinzipdarstellung,
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2 die
Einrichtung nach 1 in weiterer Ausgestaltung
und mit weiteren Details.
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Ausführliche Beschreibung
der Figuren
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Nach 1 ist
auf einer festen horizontalen Bodenplatte 2 ein erster
Lineartisch 4 befestigt, dessen Wagen horizontal in x-Richtung
verschiebbar ist. Auf diesem Wagen ist der Wagen eines zweiten Lineartischs 6 montiert,
dessen Führung in y-Richtung verschiebbar ist, so dass
der erste Lineartisch 4 und der zweite Lineartisch 6 einen
xy-Kreuztisch bilden. Solche xy-Kreuztische sind an sich bekannt.
Sie werden durch zwei Motoren (nicht gezeigt) in x- bzw. y-Richtung
bewegt.
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Auf
der Führung des zweiten Lineartischs 6 ist eine
Befestigungseinrichtung 8 montiert. Diese Befestigungseinrichtung 8 besteht
hier aus einer Befestigungsplatte 10, in welche drei Präzisions-Aufnahmestifte 12 eingesetzt
sind. Die Präzisions-Aufnahmestifte 12 haben über
der Befestigungsplatte 10 eine Verjüngung 14 in
ein Teilstück 16 mit Durchmesser mit hoher Präzision,
dass sich darauf folgend in ein Schraubgewinde 18 verjüngt.
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Auf
die Präzisions-Aufnahmestifte 12 ist ein erster
Haltekörper 20 aufgesetzt und mit Rändelmuttern 22 fixiert.
Auf dem ersten Haltekörper 20 ist ein Aufnahmeteller 24 aufgesetzt,
der über ein Präzisionskugellager 26 rotierbar
montiert ist, und der über einen zentral eingebauten Motor 28 mit
Encoder mittels einer vertikalen Antriebsachse 30 rotiert
werden kann.
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Der
Antrieb des Aufnahmetellers 24 könnte auch über
einen flexiblen Zahnriemen erfolgen; in diesem Fall kann der Antriebsmotor 28 seitlich
an dem ersten Haltekörper 20 fixiert sein. Er
kann auch an der Bodenplatte 10 fixiert sein und es wird
eine Spannvorrichtung für den Zahnriemen verwendet, die
zum Abnehmen des ersten Haltekörpers 20 von der
Bodenplatte 10 einfach gelöst werden kann, so dass
es möglich ist, den Zahnriemen einfach von dem Antriebsmotor 28 abzunehmen.
Dies ist hier nicht gezeigt.
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Proben 42 werden
auf dem Aufnahmeteller 24 mit Vakuum fixiert. Dazu besitzen
die Befestigungsplatte 10, der erste Haltekörper 20 und
der Aufnahmeteller 24 Vakuumdurchführungen, die
in einer Vakuumkammer 31 unter der Oberfläche
des Aufnahmetellers 24 enden. Zwischen der Befestigungsplatte 10 und
dem ersten Haltekörper 20 wird das Vakuum durch
eine lösbare Vakuumdurchführung 32 geführt,
und zwischen dem Haltekörper 20 und dem Aufnahmeteller 24 wird
es durch eine rotierbare Vakuumdurchführung 34 geführt.
An der Befestigungsplatte 10 ist über eine Kupplung 36 ein
Vakuumschlauch 38 angeschlossen, der über ein
Vakuumventil 39 mit einer Vakuumpumpe 40 verbunden
ist.
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Auf
den Aufnahmeteller 24 kann eine erste Halbleiterprobe 42 über
eine Vakuumöffnung 43 fixiert werden. Damit das
Vakuum sich gut unter der Halbleiterprobe 42 ausbreitet,
kann die Oberfläche des Aufnahmetellers 24 angeraut
sein. Diese erste Halbleiterprobe 42 kann z. B. ein runder
Wafer mit Durchmesser von 2 bis 12 Zoll sein, oder sie kann z. B.
eine quadratischer Wafer mit einer Kantenlänge von 10,
15 oder 20 cm, oder ein Teil davon sein. Die Dicke der Halbleiterprobe 42 liegt
typisch im Bereich 0.3 bis 1 mm. Die Halbleiterprobe 42 kann
aber auch bis 0.05 mm dünn oder bis 5 mm dick sein.
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Parallel
zur horizontalen Bodenplatte 2 ist über Stützsäulen 44 eine
Optik-Grundplatte 46 so fixiert, dass der Bewegungsbereich
des aus den Lineartischen 4, 6 bestehenden xy-Kreuztischs
nicht behindert wird. Die Optik-Grundplatte 46 ist sehr
sorgfältig parallel zur horizontalen Bodenplatte 2 ausgerichtet.
In der Optik-Grundplatte 46 ist ein Objektiv 48 höhenverstellbar
montiert, so dass der Fokuspunkt 49 des Objektivs 48 auf
die Oberfläche der ersten Halbleiterprobe 42 eingestellt
werden kann. Dies ist durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet.
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Auf
der Optik-Grundplatte 46 ist eine Laser-Lichtquelle 50 befestigt.
Des weiteren sind ein selektiv das Laserlicht 51 reflektierender
Spiegel 52 und ein totalreflektierender Spiegel 54 so
befestigt, dass das parallele Laserlicht 51 vertikal durch
das Objektiv 48 hindurchtritt. Die Spiegel 51, 52 stehen
dabei im Winkel von 45° zur horizontalen Bodenplatte 2. Durch
den vertikalen Auftritt des Laserlichts 51 auf das Objektiv 48 ist
sichergestellt, dass die optischen Einrichtungen zwischen Objektiv 48 und
Laser-Lichtquelle 50 nicht nachgestellt werden müssen,
wenn das Objektiv 48 zur Justierung des Fokuspunkts 49 auf
die Oberfläche der ersten Halbleiterprobe 42 in der
Höhe verstellt wird. Ein Nachstellen der Höhe
des Objektivs 48 ist zum Beispiel erforderlich, wenn sich von
einer Messung zur nächsten die Dicke der Halbleiterprobe 42 unterscheidet.
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Aufgrund
der Anregung durch das Laserlicht 51 entsteht im Oberflächenbereich
der Halbleiterprobe 42 Lumineszenz-Licht 55, das
eine längere Wellenlänge als das anregende Laserlicht 51 hat.
Ein Teil 56 des Lumineszenz-Lichts sowie reflektiertes
Laserlicht 51 werden von dem Objektiv 48 gesammelt
und in einen parallelen Lichtstrahl umgesetzt. Der parallele Lichtstrahl
wird am total reflektierenden Spiegel 54 reflektiert und
in einen parallelen Strahlengang 58 eingeführt,
der zwischen den Spiegeln 52 und 54 parallel zum
Laserlicht 51 verläuft. Der selektive Spiegel 52 ist
so ausgeführt, dass er das längerwellige Lumineszenz-Licht
hindurchlässt und es damit von dem Laserlicht trennt, das
an der Oberfläche der Halbleiterprobe 42 reflektiert
wurde und als Teil des parallelen Lichtstrahls 58 vom Objektiv 48 über
den Spiegel 54 in Richtung auf den selektiv reflektierenden
Spiegel 52 zurückgeworfen wird. Das längerwellige
Lumineszenz-Licht, das durch den selektiv reflektierenden Spiegel 52 hindurchtritt,
wird durch eine Fokussierlinse 62 auf den Eingang 64 eines
ersten Detektors 66, speziell eines Spektrometers, fokussiert.
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Der
Motor 28 des Aufnahmetellers 24 und die (nicht
gezeigten) beiden Motoren des xy-Kreuztischs 4, 6 werden
durch ein nicht gezeigtes Rechensystem gesteuert. Dieses Rechensystem
erfasst die Daten des Spektrometers 66. Zur Messung wird
der rotierende Aufnahmteller 24 in Richtung des ersten Lineartischs 4 linear
bewegt, so dass die Oberfläche der ersten Halbleiterprobe 42 über
ihre gesamte Oberfläche spiralförmig abgefahren
und gemessen werden kann. Das Rechensystem erfasst zusätzlich zu
den Daten des Spektrometers 66 die Winkelposition des Aufnahmetellers 24 über
den Encoder des Motors 28 sowie die exakte Position des
xy-Kreuztischs 4, 6, letzteres über zwei
nicht gezeigte an den Linearachsen 4, 6 montierte
Längenmess-Systeme. Damit können an jedem Messpunkt
die vom Spektrometer 66 erfassten Daten sehr exakt einer
Position des Aufnahmetellers 24 zugeordnet werden. Zur
genauen Ermittlung der Null-Grad-Winkelposition des Aufnahmetellers 24 können
im Außenbereich des Aufnahmetellers 24 ein nicht
gezeigter Magnet und an dem Haltekörper 20 ein
nicht gezeigter Hall-Sensor befestigt sein.
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Der
erste Lineartisch 4 hat einen großen Verfahrbereich,
so dass der auf dem xy-Kreuztisch 4, 6 montierte
Aufnahmeteller 24 aus dem Bereich unter der Optik-Grundplatte 46 herausgefahren
werden kann. In dieser sogenannten Beladeposition wird die Vakuumkammer 31 über
das Vakuumventil 39 belüftet, und dann kann die
Halbleiterprobe 42 gegen eine nächste, zur Messung
vorbereitete Halbleiterprobe 42 ausgetauscht werden.
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In
einem leicht zugänglichen Bereich neben der Beladeposition
ist auf der horizontalen Bodenplatte 2 eine Ablagesäule 68 befestigt,
und zwar so, dass der Verfahrbereich des xy-Kreuztischs 4, 6 nicht behindert
wird. In 1 ist diese Ablagesäule 68 der Einfachheit
halber unter die Optik-Grundplatte 46 gezeigt, obwohl sie
in Wirklichkeit außerhalb der Optik-Grundplatte 46 angeordnet
ist, damit sie im Bereich der Beladeposition gut zugänglich
ist.
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Auf
der Ablagesäule 68 ist abnehmbar ein Tieftemperatur-Kryostat 70 aufgesetzt,
der auf einem zweiten Haltekörper 72 montiert
ist. Dieser zweite Haltekörper 72 ist so ausgeführt,
dass er nach Lösen der Rändelmuttern 22 in
einem Austauschvorgang gegen den ersten Haltekörper 20 auf
der Befestigungsplatte 10 fixiert werden kann. Der Austauschvorgang
ist durch einen geknickten Pfeil 73 symbolisiert. Der erste
Haltekörper 20 und der weitere Haltekörper 72 haben
Präzisionspassungen, die exakt auf die Teilstücke 16 mit
Durchmesser mit hoher Präzision der Präzisions-Aufnahmestifte 12 passen.
Dadurch ist es möglich, an der Befestigungseinrichtung 8 die
Haltekörper 20 und 72 auszutauschen,
ohne dass danach eine Neu-Ausrichtung der optischen Einrichtung 11 erforderlich
wäre.
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Der
Kryostat 70 ist über eine flexible Zuleitung 74 mit
einer nicht gezeigten Regeleinrichtung zum kontrollierten Umlauf
von Helium sowie mit einem nicht gezeigten Hochvakuumsystem verbunden. Die
Zuleitung 74 ist in x-Richtung des ersten Lineartischs 4 ausgerichtet
und hat eine relativ große Länge im Bereich von
1 m oder mehr und hängt leicht durch, so dass eine Bewegung
des Kryostats 70 in Richtung des ersten Lineartischs 4 keine
Probleme bereitet. Der zweite Lineartisch 6 hat eine vergleichsweise kleine
Verfahrlänge in y-Richtung von ca. 5 cm. Die Zuleitung 74 hat
aufgrund ihrer Länge und Flexibilität auch mit
der Bewegung des Lineartischs 6 in y-Richtung keine Probleme.
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Wenn
der Kryostat 70 mit dem zweiten Haltekörper 72 auf
der Befestigungsplatte 10 fixiert und der xy-Kreuztisch 4, 6 in
Beladeposition gefahren ist, kann der Kryostat 70 oben
geöffnet werden. Dies ist hier nicht im Detail gezeigt.
Im Innern des Kryostat 70 befindet sich ein Aufnahmekörper 76 für
eine weitere Halbleiterprobe 78. Um einen guten Wärmekontakt und
eine gute Fixierung zu erreichen, wird die weitere Halbleiterprobe 78 mit
einer für solche Zwecke vorgesehenen Spezialpaste auf dem
Aufnahmekörper 76 montiert. Danach wird der Kryostat 70 geschlossen, über
die Zuleitung 74 mittels des nicht gezeigten Hochvakuumpumpstands
evakuiert und mittels der nicht gezeigten Heliumfluss-Regeleinrichtung
auf die gewünschte Tieftemperatur abgekühlt.
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Der
Kryostat 70 wird dann durch Verfahren des ersten Lineartischs 4 unter
das Objektiv 48 verfahren. Damit der Kryostat 70 evakuiert
werden kann und dennoch die Halbleiterprobe 78 optisch
einsehbar ist, ist er im Deckel des Kryostats 70 nach oben mit
einem optisch durchlässigen Fenster 80 aus Quarzglas
vakuumdicht verschlossen. Das Fenster 80 hat einen Durchmesser
von etwa 20–30 mm und eine Dicke von etwa 1–2
mm.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform mit weiteren Einzelheiten
der Befestigungsplatte 10, des Haltekörpers 72 und
der auf der Optik-Grundplatte 46 montierten optischen Einrichtungen.
Für gleiche und äquivalente Bauelemente werden
dabei dieselben Bezugszeichen verwendet wie in 1.
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Die
Befestigungsplatte 10 besteht hier aus einer unteren Befestigungsplatte 82,
auf der eine obere Befestigungsplatte 84 mittels Schrauben 86 und
Federscheiben 88 montiert ist. Der erste Haltekörper 20 ist
hier auf der oberen Befestigungsplatte 84 befestigt. Durch
Verstellen der Schrauben 86 kann die Oberfläche
des rotierbaren Aufnahmetellers 24 parallel zur horizontalen
Bodenplatte 2 justiert werden, so dass bei Rotation des
Aufnahmetellers 24 die Oberfläche der Halbleiterprobe 42 am
Fokuspunkt 49 in der gleichen Höhe bleibt.
-
Um
die Neigung der im Kryostat 70 montierten weiteren Halbleiterprobe 78 zu
justieren, umfasst der zweite Haltekörper 72 entsprechend
eine untere Platte 90 und eine obere Platte 92 sowie
Schrauben 94 und Federscheiben 96.
-
Das
Objektiv 48 ist in einer Objektivplatte 98 montiert,
deren Höhe mittels präziser Linearaktuatoren 100 auf
einige μm genau einstellbar ist. Damit kann die Höhe
des Fokuspunkts 49 verstellt werden, z. B. wenn Halbleiterproben 42, 78 verschiedener
Dicke gemessen werden. Es kann auch erforderlich sein, bei Messung
mit dem Kryostat 70 mit der weiteren Halbleiterprobe 78 die
Höhe des Fokuspunkts 49 etwas nachzustellen, weil
der Fokuspunkt 49 im Kryostat 70 aufgrund des
Fensters 80 und des Hochvakuums etwas in der Höhe
versetzt ist.
-
In
der Objektivplatte 98 ist ein weiteres Objektiv 102 montiert,
dessen Fokuspunkt 104 in x-Richtung versetzt zum Fokuspunkt 49 des
Objektivs 48 liegt. Neben dem Objektiv 102 ist
eine weitere Laser-Lichtquelle 105 montiert, die mit einer
nicht gezeigten optischen Einrichtung im Winkel von 45° gegen
die Flächennormale der Halbleiterprobe 42 auf den
Bereich des Fokuspunkts 104 fokussiert ist. Die Laser-Lichtquelle 105 ist
hier so gezeichnet, dass das Laserlicht 106 auf der Oberfläche
der Halbleiterprobe 42 einen in x-Richtung länglichen
Lichtpunkt erzeugt. Er kann aber auch so montiert sein, dass das
Laserlicht 106 einen länglichen Lichtpunkt in y-Richtung
erzeugt (dies ist hier nicht gezeigt). Dieses Laserlicht 106 regt
an der Halbleiteroberfläche ein Lumineszenz-Licht 108 an.
-
Das
vom weiteren Objektiv 102 vom Fokuspunkt 104 gesammelte
Lumineszenz-Licht 108 wird über einen Spiegel 110 und
einen Filter 111 dem Spektrometer 66 zugeführt.
Dazu sind die Spiegel 52 und 54 aus dem parallelen
Strahlengang 58 herausgefahren. Der Filter im Filterrad 111 ist
dabei so gewählt, dass er die Wellenlänge der
Laser-Lichtquelle 105 abblockt.
-
Es
kann generell wahlweise mit der Laser-Lichtquelle 50 oder
der weiteren Laser-Lichtquelle 105 gearbeitet werden. Dazu
sind die Spiegel 52 und 54 verfahrbar.
-
Wenn
mit der weiteren Laser-Lichtquelle 105 gearbeitet wird,
wird auch das Objektiv 102 mit Fokuspunkt 104 verwendet,
und es werden die Spiegel 52 und 54 aus dem Strahlengang 58 gefahren.
Wenn mit Laser-Lichtquelle 50 gearbeitet wird, wird bevorzugt
das Objektiv 48 mit Fokuspunkt 49 verwendet, und
die Spiegel 52 und 54 werden in den Strahlengang 58 gefahren.
Es ist auch möglich, die Laser-Lichtquelle 50 mit
dem Objektiv 102 zu verwenden – dann wird der
Spiegel 52 in den Strahlengang 58 hinein-, und
der Spiegel 54 aus dem Strahlengang 58 herausgefahren.
-
In
den folgenden Abschnitten werden zunächst Messungen genauer
beschrieben, die mit dem Objektiv 48 durchführbar
sind, wobei die Anregung in dessen Fokuspunkt 49 erfolgt.
Je nach Wahl des auf die Befestigungseinrichtung 10 aufgesetzten Haltekörpers 20 oder 72 wird
dabei entweder die auf dem rotierbaren Aufnahmeteller 24 montierte
Halbleiterprobe 42 gemessen, oder es wird die im Kryostat 70 montierte
weitere Halbleiterprobe 78 gemessen.
-
Der
parallele Strahlengang 58 ist über eine große
Länge ausgeführt, so dass Platz vorhanden ist, parallel
neben der Laser-Lichtquelle 50 mit selektiv reflektierendem
Spiegel 52 vier weitere nicht gezeigte Laser-Lichtquellen
anzuordnen. Deren zugehörige selektiv reflektierende Spiegel
werden wahlweise in den Strahlengang 58 eingefahren. Damit
ist es möglich, je nach Art der Halbleiterprobe verschiedene
Laserlicht-Wellenlängen zur Anregung zu verwenden, ohne
dass ein Austausch oder Umbau von Laser-Lichtquellen erforderlich
ist. Übliche Laserlicht-Wellenlängen sind z. B.
325 nm, 441 nm, 638 nm. Es können Gas-Laser, Festkörper-Laser
oder Diodenlaser verwendet werden. Bedarfsweise kann die Lichtfrequenz
der Laser-Lichtquellen durch an sich bekannte Verfahren der Frequenzverdopplung
oder Frequenz-Verdreifachung erhöht werden. Es ist auch möglich,
die Ergebnisse von Lumineszenz-Messungen der Halbleiterprobe 42, 78 bei
Anregung durch verschiedenen Laserlicht-Wellenlängen zu
vergleichen. Üblicherweise wird für einen ortsaufgelösten Messvorgang
eine Laser-Lichtquelle zur Anregung der Halbleiterprobe 42, 78 verwendet,
die vor Start des Messvorgangs entsprechend der Art der zu messenden
Halbleiterprobe 42, 78 ausgewählt wird.
-
Das
Objektiv 48 ist so montiert, dass es leicht gewechselt
werden kann, so dass es einfach ist, die Größe
des Fokuspunkts 49 zu ändern. Für Messungen
mit besonders hoher Ortsauflösung kann das Objektiv 48 auch
an einem hier nicht gezeigten xyz-Nano-Positioniertisch mit Piezoantrieb
montiert werden. Da durch das Objektiv 48 das Laserlicht 51 senkrecht
auf die Halbleiterprobe 42, 78 eingestrahlt wird,
kann ein Objektiv 48 mit einem im Vergleich zu Objektiv 102 relativ
kleinen Arbeitsabstand verwendet werden. Der Arbeitsabstand von
Objektiv 102 muss deutlich größer sein,
weil es das seitlich zugeführte Laserlicht 106 nicht
behindern darf.
-
Des
weiteren kann parallel zur Laser-Lichtquelle 50 und dem
Spiegel 52 eine nicht gezeigte Weißlichtquelle
und ein nicht gezeigter verfahrbarer Strahlteiler in Form eines
Prismas oder einer Glasscheibe montiert sein, so dass in den parallelen Strahlengang 58 Weißlicht
eingeführt und die Oberfläche der Halbleiterprobe 42 durch
das Objektiv 48 mit Weißlicht bestrahlt werden
kann. Wenn die Halbleiterprobe 42 an der Oberfläche
dünne Schichten mit voneinander verschiedenem Brechungsindex
hat, kann durch die Messung des an der Halbleiterprobe 42 reflektierten
Lichts ortsaufgelöst mit dem Spektrometer die Schichtdicke
der Schichten ermittelt werden.
-
Außerdem
kann parallel zur Laser-Lichtquelle 50 und dem Spiegel 52 eine
Photodiode 114 mit einer optischen Einrichtung montiert
sein, und es kann ein Strahlteiler 116 in den Strahlengang
gefahren werden, so dass die Photodiode 114 die Gesamtintensität
des von der Halbleiterprobe 42 reflektierten Lichts misst,
also das Lumineszenz-Licht 56 zusammen mit der Reflexion
des Laserlicht 51. Ortsaufgelöst kann dieses Signal
der Photodiode 114 gleichzeitig mit dem Signal des Spektrometers 66 erfasst
werden.
-
Des
weiteren kann im parallelen Strahlengang 58 vor der Fokussierlinse 62 eine
Photodiode 118 mit einer optischen Einrichtung montiert
sein, und es kann ein Spiegel 120 in den Strahlengang gefahren
werden, so dass die Photodiode 118 die Gesamtintensität
des Lumineszenz-Lichts misst. Das Signal dieser Photodiode 118 ist
mit sehr hoher Geschwindigkeit im Nanosekunden-Bereich erfassbar. Die
Anregung der Lumineszenz durch Laser-Lichtquelle 50 – oder
einer wie eben beschrieben – parallel dazu montierten Laser-Lichtquelle
kann gepulst erfolgen. Die Signalerfassung der Photodiode 118 ist synchronisiert
zu dieser Pulssteuerung der Laser-Lichtquelle. Dadurch kann ortsaufgelöst
die Transiente des Lumineszenz-Lichts 56 gemessen werden.
Aus dieser Transiente können Lebensdauern verschiedener
Prozesse im Halbleitermaterial bestimmt werden.
-
In
den folgenden Abschnitten werden Messungen genauer beschrieben,
die mit dem Objektiv 102 durchführbar sind, wobei
die Anregung in dessen Fokuspunkt 104 erfolgt. Dieses Objektiv 102 wird
im wesentlichen für Messungen verwendet, bei denen auf
der Befestigungseinrichtung 10 der Haltekörper 20 aufgesetzt
ist, so dass die auf dem rotierbaren Aufnahmeteller 24 montierte
Halbleiterprobe 42 gemessen wird. Dabei wird üblicherweise
die weitere Laser-Lichtquelle 105 verwendet, deren Laserlicht 106 die
Oberfläche der Halbleiterprobe 42 in schrägem
Winkel von z. B. 45° trifft. Bei Messung rotierender Halbleiterproben 42 kann
es wichtig sein, dass der Lichtpunkt des Laserlichts 106 eine
längliche Form auf der Oberfläche der Halbleiterprobe 42 hat. Dies
wird mit dieser Geometrie einfach erreicht.
-
Auf
den Fokuspunkt 104 des Objektivs 102 kann auch
eine Photodiode 112 gerichtet sein, um die Intensität
des von der Oberfläche der Halbleiterprobe 42 reflektierten
Lichts des Laserstrahls 106 zu messen. Diese Photodiode 112 – wie
hier in 2 gezeigt – kann so
ausgerichtet sein, dass sie gegenüber der weiteren Laser-Lichtquelle 105 angeordnet
ist. Sie liegt damit in der Fläche, die vom Laserstrahl 106 und
aus der Flächennormale der Halbleiterprobe 42 gebildet
wird. Sie kann aber auch so ausgerichtet sein, dass sie nicht in
dieser Ebene liegt, dass sie also aus einer seitlichen Richtung
auf den weiteren Fokuspunkt 104 gerichtet ist.
-
Im
Umkreis um das Objektiv 102 können weitere nicht
gezeigte Laser-Lichtquellen montiert sein, die durch Optiken ebenfalls
auf den Fokuspunkt 104 fokussiert sind. Diese Laser-Lichtquellen
können wahlweise zur Laser-Lichtquelle 105 verwendet
werden. Die weiteren nicht gezeigten Laser-Lichtquellen haben eine
andere Wellenlänge als die Laser-Lichtquelle 105,
und sie können je nach Art der Halbleiterprobe 42 eingesetzt
werden. Der Filter im Filterrad 111 wird dabei so verstellt,
dass die Wellenlänge der verwendeten Laser-Lichtquelle
abgeblockt wird.
-
Außerdem
kann im Umkreis um das Objektiv 102 eine nicht gezeigte
Weißlichtquelle, z. B. ein Halogenstrahler, montiert sein.
Diese Weißlichtquelle ist, wie die Laser-Lichtquelle 105,
seitlich schräg auf den Fokuspunkt 104 fokussiert.
Wenn die Halbleiterprobe 42 an der Oberfläche
dünne Schichten mit voneinander verschiedenem Brechungsindex
hat, kann durch die Messung des an der Halbleiterprobe 42 reflektierten
Lichts mit dem Spektrometer 66 die Schichtdicke der Schichten
ermittelt und überwacht werden. Das Filterrad 111 wird
dabei auf eine Leer-Position verfahren.
-
Vor
allen Laser-Lichtquellen 50, 105 ist jeweils ein
nicht gezeigtes Filterrad mit Graufiltern eingesetzt, um die Intensität
der Laserstrahlen 51, 106 und damit die Anregungs-Intensität
in den Fokuspunkten 49, 104 kontrollieren zu können.
Die Laser-Lichtquellen 50, 105 können
des weiteren mit nicht gezeigten Linsensystemen zur Fokussierung sowie
mit nicht gezeigten so genannten Beam-Shapern ausgerüstet
sein, die aus einer Lochblende und Linsen bestehen, um die Qualität
der Laserstrahlen 51, 106 zu verbessern.
-
In
den parallelen Strahlengang 58 kann hier vor Durchführung
der Lumineszenz-Messung vor dem Spiegel 51 ein Strahlteiler-Prisma 126 eingefahren
werden, welches einen Teil des von der Halbleiterprobe 42, 78 reflektierten
Laserlichts aus dem Strahlengang 58 einer CCD-Kamera 122 mit
Objektiv 124 zuführt. Das Bild der Kamera 122 kann
verwendet werden, um die Fokussierung der Objektive 48 oder 102 zu
prüfen und mittels Verfahrens der Höhe der Objektivplatte 98 zu
optimieren. Parallel zur CCD-Kamera 122 und zum Strahlteiler-Prisma 126 kann
des weiteren eine nicht gezeigte Weißlichtquelle und ein
weiterer, nicht gezeigter Strahlteiler verwendet werden, um die
Halbleiterprobe 42, 78 zusätzlich zu
beleuchten, wenn die Intensität der Laser-Lichtquellen 50, 105 nicht
ausreicht oder wenn die Wellenlängen dieser Laser-Lichtquellen
ungünstig für die CCD-Kamera 122 sind.
-
Für
Lumineszenz-Messungen im kurzwelligen UV-Bereich kann die chromatische
Aberration der Linsen stören, insbesondere der Linse 62 und des
Objektivs 48. Um optimale Messungen im UV-Bereich zu ermöglichen,
kann das Spektrometer 66 gedreht angeordnet sein und die
Linse 62 durch einen nicht gezeigten Rund- oder Parabol-Spiegel
ersetzt werden. Das Objektiv 48 kann durch ein nicht gezeigtes
sogenanntes Cassegrain-Objektiv mit Spiegeloptik ersetzt werden.
-
Für
Lumineszenz-Messungen im Bereich UV bis nahes Infrarot wird bevorzugt
ein sogenanntes Gitter-Spektrometer 66 eingesetzt, das
einen Eingangsspalt 64 mit wählbarer Spaltbreite
und mehrere wählbare Gitter umfasst. Die von dem gewählten
Gitter erzeugte spektrale Verteilung wird wahlweise auf einem gekühlten
Silizium-CCD oder auf einem gekühlten InGaAs-CCD abgebildet
und von dort mit hoher Geschwindigkeit erfasst. Für Lumineszenz-Messungen
im tiefen Infrarot kann auch ein sogenanntes Fourier-Spektrometer
vorgesehen sein, dass wahlweise zum Spektrometer 66 einsetzbar
ist.
-
Es
ist möglich, mittels sogenannter Schleifringe elektrische
Signale von der Befestigungsplatte 10 zur Oberseite des
rotierenden Aufnahmetellers 24 zu führen. Auch
ist es bekanntermaßen möglich, in den Kryostat 70 elektrische
Signale einzuführen. Mittels einer geeigneten nicht gezeigten
Steckverbindung an der Befestigungsplatte 10 kann sowohl
die Halbleiterprobe 42 als auch die weitere Halbleiterprobe 78 während
der Durchführung der ortsaufgelösten Lumineszenzmessung
elektrisch kontaktiert werden. Wenn die Halbleiterproben 42, 78 mit
metallisierten Kontakten ausgeführt ist und eine Struktur
hat, die durch elektrische Signale zur Lumineszenz angeregt werden
kann, so ist es damit möglich, ortsaufgelöst den
Einfluss externer elektrischer Signale auf die Lumineszenz zu messen.
Auch ist es möglich, ortsaufgelöst elektrische
Kenngrößen zu messen, die lichtempfindlich sind.
So ist es z. B. möglich, bei Solarzellen ortsaufgelöst
zusätzlich zur Lumineszenz den durch die Anregung mit Licht
erzeugten Photostrom zu messen. Es ist auch z. B. möglich,
Licht-emittierende Bauelemente, wie LEDs oder Laser, elektrisch zu
betreiben und die Elektrolumineszenz zu messen. In diesem Fall kann
auf die Anregung durch Laserlicht 51, 106 verzichtet
werden.
-
Die
gesamte dargestellte Einrichtung wird von einem PC-System gesteuert.
Das PC-System ermöglicht es, ortsaufgelöst mit
dem Spektrometer 66 erfasste Lumineszenz-Spektren und/oder
mit Photodiode 118 gemessene Lumineszenz-Transienten und/oder
mit Photodiode 112, 114 gemessene Reflektions-Intensitäten
zu messen. Aus den Spektren können weitergehende Messwerte,
wie die Peak-Wellenlängen von Spektrallinien, die volle Halbwertbreite
von Spektrallinien, die integrierte Intensität von Spektrallinien
und die integrierte Intensität des gesamten Spektrums,
berechnet werden. Es ist mit dem PC-System möglich, so
erhaltene Messwerten in einem 3-dimensionalen Bild über
der Halbleiteroberfläche darzustellen oder mittels einer
konfigurierbaren Farbskala 2-dimensionale Farbbilder der Halbleiteroberfläche
zu erzeugen. Die Bilder oder Überlagerungen dieser Bilder,
können mit Referenzbildern verglichen werden, und aufgrund
solcher Vergleiche kann ein Wafer als gut oder schlecht bewertet werden.
Es können auch statistische Kenndaten solcher Messwerte
in statistischen Regelkarten eingetragen werden, um eine kontinuierliche
automatisierte Überwachung einer Halbleiterproduktion zu
ermöglichen.
-
An
der eingangs in der Beschreibung erwähnten Beladeposition
kann ein sogenannter Wafer-Handler angeschlossen werden, der Wafer
aus so genannten Wafer-Kassetten dem rotierbaren Aufnahmeteller 24 automatisch
zuführt und der die Wafer nach der Messung abnimmt und
wiederum in Wafer-Kassetten zurücksetzt. Um die Durchsatz-Geschwindigkeit
der Einrichtung zu erhöhen, können auch zwei Wafer-Handler
angeschlossen werden, wobei der eine Wafer-Handler dazu verwendet
wird, die Wafer zuzuführen, und wobei der zweite Wafer-Handler
dazu verwendet wird, die gemessenen Wafer in andere Wafer-Kassetten
zurückzusetzen. Die im letzten Abschnitt beschriebene Gut-Schlecht-Bewertung
der Wafer kann dazu verwendet werden, die Wafer in jeweils verschiedene Wafer-Kassetten
zurückzusetzen.
-
Zusätzlich
zu dem Haltekörper 20 mit dem rotierbaren Aufnahmeteller 24 und
dem weiteren Haltekörper 72 mit dem Kryostat 70 kann
auch ein weiterer nicht gezeigter Haltekörper verwendet
werden, auf dem eine nicht gezeigte zusätzliche Halbleiterprobe
einbaubar ist, deren Oberfläche um eine horizontale Drehachse
gegen die Horizontale gedreht ist, wobei der Drehwinkel mit einem
Motor einstellbar ist. Die so eingespannte zusätzliche
Halbleiterprobe hat dann also einen einstellbaren Winkel gegen die
Horizontale. Dieser nicht gezeigte Haltekörper hat dann eine
geeignete Aufnahmeeinrichtung, so dass er ebenfalls leicht auf die
Befestigungseinrichtung 8 aufgesetzt werden kann. So kann
dann die Abhängigkeit der Lumineszenz von der Drehrichtung
der Oberflächennormalen der Halbleiterprobe bestimmt werden.
Durch Verfahren des xy-Kreuztischs 4, 6 in Richtung
der horizontalen Drehachse kann die Ortsauflösung dieser
winkelabhängigen Lumineszenz in Richtung der Drehachse
kontinuierlich erfasst werden.
-
- x
- Verfahrrichtung
des ersten Lineartischs 4
- y
- Verfahrrichtung
des zweiten Lineartischs 6
- 2
- Horizontale
Bodenplatte
- 4
- Erster
Lineartisch
- 6
- Zweiter
Lineartisch
- 8
- Befestigungseinrichtung
- 10
- Befestigungsplatte
- 11
- Optische
Einrichtung
- 12
- Präzisions-Aufnahmestift
- 14
- Verjüngung
- 16
- Teilstück
mit Durchmesser von hoher Präzision
- 18
- Schraubgewinde
- 20
- Erster
Haltekörper
- 22
- Rändelmutter
- 24
- Aufnahmeteller
- 26
- Präzisionskugellager
- 28
- Motor
mit Encoder
- 30
- Antriebsachse
- 31
- Vakuumkammer
- 32
- Lösbare
Vakuumdurchführung
- 34
- Rotierbare
Vakuumdurchführung
- 36
- Kupplung
- 38
- Vakuumschlauch
- 39
- Vakuumventil
- 40
- Vakuumpumpe
- 42
- Halbleiterprobe
- 43
- Öffnung
- 44
- Stützsäule
- 46
- Optik-Grundplatte
- 48
- Objektiv
- 49
- Fokuspunkt
- 50
- Laser-Lichtquelle
- 51
- Laserlicht
- 52
- Verfahrbarer
selektiv reflektierender Spiegel
- 54
- Verfahrbarer
total reflektierender Spiegel
- 55
- Lumineszenz-Licht
- 56
- Teil
des Lumineszenz-Lichts
- 58
- Paralleler
Strahlengang
- 62
- Fokussierlinse
- 64
- Eingang
des Spektrometers
- 66
- Erster
Detektor
- 68
- Ablagesäule
- 70
- Tieftemperatur-Kryostat
- 72
- Zweiter
Haltekörper
- 73
- Geknickter
Pfeil
- 74
- Zuleitung
- 76
- Aufnahmekörper
- 78
- Weitere
Halbleiterprobe
- 80
- Quarzglas-Fenster
- 82
- Untere
Befestigungsplatte
- 84
- Obere
Befestigungsplatte
- 86
- Schraube
- 88
- Federscheiben
- 90
- Untere
Platte
- 92
- Obere
Platte
- 94
- Schraube
- 96
- Federscheiben
- 98
- Objektivplatte
- 100
- Linearaktuator
- 102
- Weiteres
Objektiv
- 104
- Weiterer
Fokuspunkt
- 105
- Weitere
Laser-Lichtquelle
- 106
- Weiterer
Laserstrahl
- 108
- Lumineszenz-Licht
- 110
- Spiegel
- 111
- Filterrad
- 112
- Zweiter
Detektor
- 114
- Photodiode
- 116
- Verfahrbarer
Strahlteiler
- 118
- Dritter
Detektor
- 120
- Verfahrbarer
Spiegel
- 122
- CCD-Kamera
- 124
- Kamera-Objektiv
- 126
- Verfahrbares
Strahlteiler-Prisma
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - Appl. Phys.
A 40, S. 191–195 (1986), insbesondere S. 191, rechte Spalte,
letzter Absatz, bis S. 192, linke Spalte, letzter Absatz [0006]