DE102007056944B4

DE102007056944B4 - Lumineszenz-Messgerät zur ortsaufgelösten Messung von Halbleiterproben

Info

Publication number: DE102007056944B4
Application number: DE102007056944A
Authority: DE
Inventors: Thomas Wolff
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-11-25
Filing date: 2007-11-25
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2027-11-26
Also published as: US7852473B2; US20090135418A1; DE102007056944A1

Abstract

Vorrichtung zur ortsaufgelösten Messung der Lumineszenz einer Halbleiterprobe (42), insbesondere eines Halbleiter-Wafers oder eines Teils davon,
– mit einem Aufnahmeteller (24) für die Halbleiterprobe (42), ausgestattet mit einem Antrieb (28), so dass dieser den Aufnahmeteller (24) während der Messung relativ schnell rotiert,
– mit einer Einrichtung (31, 40, 43) zur Fixierung der Halbleiterprobe (42) auf dem Aufnahmeteller (24),
– mit einem ersten Lineartisch (4) zum Verfahren des rotierbaren Aufnahmetellers (24),
– mit einer Einrichtung (50) zur Erzeugung von Lumineszenz-Licht (56) auf der Halbleiterprobe (42),
– mit einem ersten Detektor (66) zur Messung des Lumineszenz-Lichts (56),
– mit einer optischen Einrichtung (11), um das Lumineszenz-Licht (56) von der Halbleiterprobe (42) dem ersten Detektor (66) zuzuführen,
– mit einem in der Höhe verstellbaren Fokuspunkt (49) im Bereich der Oberfläche der Halbleiterprobe (42),
gekennzeichnet
– durch einen unter dem rotierbaren Aufnahmeteller (24) angeordneten zweiten...

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur ortsaufgelösten Messung der Lumineszenz einer Halbleiterprobe, insbesondere eines Halbleiter-Wafers oder eines Teils davon,

– mit einem Aufnahmeteller für die Halbleiterprobe, ausgestattet mit einem Antrieb, so dass dieser den Aufnahmeteller während der Messung relativ schnell rotiert,
– mit einer Einrichtung zur Fixierung der Halbleiterprobe auf dem Aufnahmeteller,
– 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.

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.
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.
Stand der Technik
Zur Messung der Lumineszenz von Halbleiterproben sind zwei im folgenden nach Typ A und Typ B beschriebene Messgerät-Typen bekannt.
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 (LS Leitenstorfer)-Fachbereich Physik-Uni Konstanz” („http://www.uni-konstanz.de/quantumelectronics/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.
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.
Ein weiteres Messgerät gemäß Typ A ist aus dem US-Patent 6 075 592 bekannt. Hier wird Laserlicht mitteils eines Objektivs senkrecht auf einer Halbleiterprobe fokussiert. Der Durchmesser des Fokuspunkts liegt bei etwa 5 μm oder 10 μm. Die Halbleiterprobe ist auf einem Verschiebetisch platziert, mit dem sie in x-, y- und z-Richtung verschoben werden kann. Es besteht auch die Möglichkeit, die Probe zu drehen, um sie anfangs, also vor der eigentlichen Messung, bei Bedarf auszurichten. Das angeregte Lumineszenz-Licht wird durch dasselbe Objektiv gesammelt und durch einen dichroitischen Koppler vom anregenden Laserlicht getrennt und einem „Optical Spectrum Analyzer” zur Analyse zugeführt. Diese Veröffentlichung liefert keinen direkten Hinweis auf die Temperatur, bei der gemessen wird. Aus den erwähnten Einzelheiten ergibt sich aber, dass es sich nur um Raumtemperatur handeln kann.
Es ist festzuhalten, dass die Drehbewegung hier im Sinne von „in Drehrichtung verschiebbar”, aber nicht im Sinne von „während der Messung relativ schnell rotierend” verwendet wird – wie dies bei der eingangs genannten Vorrichtung der Fall ist. Mit anderen Worten: Die Drehung des bekannten Aufnahmetellers dient lediglich zur langsamen, genauen Justierung der Halbleiterprobe. Der Aufnahmeteller erfährt während der eigentlichen Messung keine Rotation. Er ist also bei der Justierung in Drehrichtung um die z-Achse verschiebbar; nach der Justierung wird der Aufnahmeteller nicht mehr weiter gedreht, und die eigentliche Messung beginnt.
Auch das Patent EP 0 925 497 B1 beschreibt ein Gerät vom Typ A, und zwar mit einer größten „scan area” von 1 mm × 1 mm, die im Bereich von Minuten abgescannt wird. Dieses Patent ist gemäß seinem Inhalt ganz auf ein Gerät vom Typ A beschränkt. Die Messung wird nur bei Raumtemperatur durchgeführt.
Auch das Patent EP 0 545 523 B1 beschreibt ein Gerät vom Typ A. Ein schnelle Rotation ist hier ebenfalls nicht vorgesehen. Der hier vorgesehene Laser strahlt unter einem schrägen Winkel auf die Halbleiteroberfläche ein. Die dadurch angeregte Strahlung wird senkrecht zur Oberfläche in ein Spektroskop geleitet.
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 Vorrichtung 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 beim 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.
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 verflüssigtem 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.
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.
Aufgabe der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, ein Messgerät von relativ geringem technischem Aufwand zur ortsaufgelösten Messung des Lumineszenz-Lichts von Halbleiterproben anzugeben, mit dem

(a) sowohl bei Raumtemperatur,
(b) als auch bei Bedarf bei Tieftemperatur im Bereich des flüssigen Heliums oder Stickstoffs

Lösung
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst bei einer Vorrichtung 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 vom xy-Kreuztisch abzunehmen und dort durch einen mit einem optischen Fenster ausgestatteten Kryostaten mit einer weiteren Halbleiterprobe zu ersetzen, wobei dann die Oberfläche der weiteren Halbleiterprobe im wesentlichen im Fokuspunkt liegt.

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die optische Einrichtung mindestens zwei Objektive umfasst, die mittels verfahrbarer Spiegel wahlweise einsetzbar sind.
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.
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.
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 Linearaktuatoren vorzusehen.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung 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.
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.
Wenn die Vorrichtung 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.
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.
Kurzbeschreibung der Figuren
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand von zwei Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Schnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung in Prinzipdarstellung,
2 die Vorrichtung nach 1 in weiterer Ausgestaltung und mit weiteren Details.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
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.
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, das sich darauffolgend in ein Schraubgewinde 18 verjüngt.
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 E mittels einer vertikalen Antriebsachse 30 rotiert werden kann.
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.
Halbleiterproben 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.
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.
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.
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 52, 54 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.
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.
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 x-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 E des Motors 28 sowie die exakte Position des xy-Kreuztischs 4, 6, letztere Position über zwei nicht gezeigte an den Lineartischen 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.
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.
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 der Optik-Grundplatte 46 gezeigt, obwohl sie in Wirklichkeit außerhalb der Optik-Grundplatte 46 angeordnet ist, damit sie im Bereich der Beladeposition gut zugänglich ist.
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.
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 6hat 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.
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.
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 der 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.
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.
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 einjustiert 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 Laserlichts 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 optische Einrichtung mit einer Photodiode 118 montiert sein. Diese Einrichtung kann ein Spiegel 120 sein, der in den Strahlengang gefahren wird, so dass die Photodiode 118 die Gesamtintensität des Lumineszenz-Lichts misst. Das elektrische Signal dieser Photodiode 118 ist mit sehr hoher Geschwindigkeit im Nanosekunden-Bereich erfassbar. Die Anregung der Lumineszenz durch die Laser-Lichtquelle 50 – oder durch eine wie eben beschriebe parallel dazu montierte 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 bevorzugt 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 vordem Spiegel 52 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, das 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 sind und eine Struktur haben, die durch elektrische Signale zur Lumineszenz angeregt werden können, 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 Vorrichtung wird von einem PC-System gesteuert. Das PC-System ermöglicht es, ortsaufgelöst mit dem Spektrometer 66 erfasste Lumineszenz-Spektren und/oder mit der Photodiode 118 gemessene Lumineszenz-Transienten und/oder mit der 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 Messwerte 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 Masswerte in statistische 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 vorangehenden 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.
Bezugszeichenliste

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

Claims

Vorrichtung zur ortsaufgelösten Messung der Lumineszenz einer Halbleiterprobe (42), insbesondere eines Halbleiter-Wafers oder eines Teils davon, – mit einem Aufnahmeteller (24) für die Halbleiterprobe (42), ausgestattet mit einem Antrieb (28), so dass dieser den Aufnahmeteller (24) während der Messung relativ schnell rotiert, – mit einer Einrichtung (31, 40, 43) zur Fixierung der Halbleiterprobe (42) auf dem Aufnahmeteller (24), – mit einem ersten Lineartisch (4) zum Verfahren des rotierbaren Aufnahmetellers (24), – mit einer Einrichtung (50) zur Erzeugung von Lumineszenz-Licht (56) auf der Halbleiterprobe (42), – mit einem ersten Detektor (66) zur Messung des Lumineszenz-Lichts (56), – mit einer optischen Einrichtung (11), um das Lumineszenz-Licht (56) von der Halbleiterprobe (42) dem ersten Detektor (66) zuzuführen, – mit einem in der Höhe verstellbaren Fokuspunkt (49) im Bereich der Oberfläche der Halbleiterprobe (42), gekennzeichnet – durch einen unter dem rotierbaren Aufnahmeteller (24) angeordneten zweiten Lineartisch (6), der zusammen mit dem ersten Lineartisch (4) einen xy-Kreuztisch bildet, auf dem der Aufnahmeteller (24) rotierbar angeordnet ist, und – durch eine Befestigungseinrichtung (8), die es erlaubt, den rotierbaren Aufnahmeteller (24) vom xy-Kreuztisch abzunehmen und dort durch einen mit einem optischen Fenster (80) ausgestatteten Kryostaten (70) mit einer weiteren Halbleiterprobe (78) zu ersetzen, wobei dann die Oberfläche der weiteren Halbleiterprobe (78) im wesentlichen im Fokuspunkt (49) liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryostat (70) zum Abkühlen der weiteren Halbleiterprobe (78) auf sehr niedere Temperaturen mittels flüssigem Helium (He) oder flüssigem Stickstoff (N₂) eingerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet; dass die Befestigungseinrichtung (8) eine Befestigungsplatte (10) umfasst, an der ein erster Haltekörper (20) oder bei dem Ersatz des rotierbaren Aufnahmetellers (24) durch den Kryostaten (70) ein zweiter Haltekörper (72) bevorzugt mittels Passstiften (12) mit Gewindeansatz (18) und Rändelmuttern (22) befestigbar ist (1).
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der rotierbare Aufnahmeteller (24) mit einem Präzisionskugellager (26) an dem ersten Haltekörper (20) befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsplatte (10) eine untere und obere Befestigungsplatte (82, 84) sowie Befestigungsschrauben (86) und Federscheiben (88) oder Federn umfasst, um die Neigung der Oberfläche des Aufnahmetellers (24) auszurichten (2).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der rotierbare Aufnahmeteller (24) eine Messeinrichtung umfasst, um eine Referenzwinkel-Position zum ersten Haltekörper (20) exakt festzulegen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung einen am rotierbaren Aufnahmeteller (24) montierten Magneten und einen an dem ersten Haltekörper (20) montierten Hallsensor besitzt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Haltekörper (72) aus einer unteren und oberen Platte (90, 92) besteht, um insbesondere mittels Befestigungsschrauben (94) und Federscheiben (96) oder Federn die Neigung und Höhe auszurichten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anregung des Lumineszenz-Lichts (56) mindestens eine Laser-Lichtquelle (50) vorgesehen ist, deren Laserlicht über einen Spiegel (52) in einen Strahlengang (58) einführbar ist, der zur Halbleiterprobe (42) führt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (11) mindestens ein Objektiv (48) umfasst, durch welches Laserlicht (51) senkrecht auf die Oberfläche der Halbleiterprobe (42) gestrahlt wird, und dass dasselbe Objektiv (48) zum Sammeln des Lumineszenz-Lichts (56) verwendet wird (1).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anregung von weiterem Lumineszenz-Licht (108) mindestens eine weitere Laser-Lichtquelle (105) vorgesehen ist, deren weiterer Laserstrahl (106) die Oberfläche der Halbleiterprobe (42) schräg, bevorzugt unter einem Winkel von 45°, an einem Anregungspunkt trifft, und dass die optische Einrichtung (11) ein Objektiv (102) umfasst, dessen weiterer Fokuspunkt (104) im Bereich des Anregungspunkts angeordnet ist, um das vom Anregungspunkt ausgehende weitere Lumineszenz-Licht (108) zu sammeln (2).
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Detektor (112) vorgesehen ist, so dass – zusätzlich zur Messung mit dem ersten Detektor (66) – mit dem zweiten Detektor (112) die Gesamtintensität des von der Oberfläche der Halbleiterprobe (42) reflektierten Lichts der weiteren Laser Lichtquelle (105) messbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Einrichtung (11) mindestens zwei Objektive (48, 102) umfasst, die mittels verfahrbarer Spiegel (54, 110) wahlweise einsetzbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterprobe (42) auf dem rotierbaren Aufnahmeteller (24) mittels einer schaltbaren Vakuum-Einrichtung (39, 40, 43) fixierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der rotierbare Aufnahmeteller (24) oben mit einer Markierung versehen ist, um sicherzustellen, dass die Halbleiterprobe (42) zentriert auf ihn aufsetzbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterprobe (42) auf dem rotierbaren Aufnahmeteller (24) mittels mindestens zweier elektrischer Kontakte kontaktierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Videokamera (122) mit optischer Fokussiervorrichtung (124) vorhanden ist, und dass im Strahlengang (58) ein optisches Element (126) einführbar ist, so dass über das an der Halbleiterprobe (42) reflektierte Laserlicht (51) die Fokussierung der optischen Einrichtung (11) visuell nachprüfbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der optischen Einrichtung (11) auf einer Objektivplatte (98) montiert ist, deren Höhe einstellbar ist, insbesondere mittels eines Motors.
Vorrichtung nach Anspruch 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal der Videokamera (122) einem automatischen Regelsystem zugeleitet ist, das die Höhe der Objektivplatte (98) aufgrund des Ausgangssignals der Videokamera (122) automatisch auf eine optimale Fokussierung verstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung der Höhe der Objektivplatte (98) drei Linearaktuatoren (100) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strahlengang (58) ein optisches Element (120) einführbar ist, das einen Teil des Lumineszenz-Lichts (56, 108) auf einen dritten Detektor (118) gibt.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des dritten Detektors (118) mit sehr hoher Geschwindigkeit, vorzugsweise im Bereich weniger Nanosekunden, erfassbar ist, so dass die Transiente der Intensität des Lumineszenz-Lichts (56, 108) ab einem Schaltzeitpunkt messbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 und 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltzeitpunkt dadurch erzeugt wird, dass das Laserlicht (51) mindestens einer Laser-Lichtquelle (50) synchron zum Start der Messung der Transiente unterbrochen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der erste Detektor (66) ein Spektrometer umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Detektor (66) und bevorzugt weitere Bauteile, wie Sensoren, mit einem Rechner verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 24 und 25, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Messdaten des Spektrometers (66) 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 (42, 78) kontinuierlich erfassbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 22 oder 23 und nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass aus der von dem dritten Detektor (118) gemessenen Transiente eine Lebensdauer von mindestens einem Prozess in der Halbleiterprobe (42) bestimmbar ist und in Abhängigkeit von dem Ort der Messung auf der Halbleiterprobe (42) kontinuierlich erfassbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Rechner verwendete Datenverarbeitungssoftware vorgesehen ist, um die gemessenen Daten in Abhängigkeit von dem Ort der Messung auf der Halbleiterprobe (42) in mindestens einer zweidimensionalen farbigen Abbildung und/oder in mindestens einer dreidimensionalen Abbildung darzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass die für verschiedene Messgrößen erzeugten Bilder automatisch vergleichbar und miteinander in Beziehung setzbar sind.