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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Halbleiterscheiben durch Bearbeiten eines Einkristalls, dessen Mittellängsachse eine Orientierung aufweist, die von einer angestrebten Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben abweicht.
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Einkristalline Halbleiterscheiben werden üblicherweise aus Einkristallen geschnitten, die erhalten werden, indem in einem Tiegel oder induktiv geschmolzenes Halbleitermaterial auf einem sich drehenden Impfkristall nach und nach kristallisiert wird. Dabei entsteht ein nahezu runder Barren („ingot”) mit einer Mittellängsachse als geometrischer Achse. In der Folge wird der Barren zu einem oder mehreren zylinderförmigen Blöcken umgearbeitet und Halbleiterscheiben mit einer bestimmten Kristallorientierung von diesen Blöcken abgetrennt. Die Umarbeitung umfasst in der Regel das Abtrennen des Blocks vom Einkristall entlang von Schnittebenen senkrecht zur Mittellängsachse des Einkristalls und das Rundschleifen des Blocks um die Mittellängsachse zu einem Block mit der Form eines Zylinders.
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Zum Abtrennen der Halbleiterscheiben werden üblicherweise Drahtsägen eingesetzt. Prinzipiell eignen sich auch Innenlochsägen, wobei deren Durchsatz geringer ist. Drahtsägen weisen ein Drahtfeld („wire web”) auf, das von parallel liegenden Drähten gebildet wird. Im Verlauf des Sägevorgangs dringen die Drähte durch den Block, wodurch gleichzeitig eine Anzahl von Halbleiterscheiben entsteht, die der Anzahl der Lücken zwischen den durch den Block dringenden Drähten entspricht. Zur Optimierung des Durchsatzes sollte das zur Verfügung stehende Drahtfeld möglichst vollständig ausgenutzt werden. Deshalb werden häufig zwei oder mehrere Blöcke hintereinander angeordnet und gleichzeitig gesägt.
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Der Kunde der Halbleiterscheiben verlangt eine bestimmte Orientierung des Kristallgitters. Die Flächennormale der Vorderseite der Halbleiterscheibe soll parallel zu einem Vektor liegen, der die bestimmte Orientierung des Kristallgitters repräsentiert und die nachfolgend als angestrebte Orientierung des Kristallgitters bezeichnet wird.
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Repräsentiert die Mittellängsachse des Blocks die angestrebte Orientierung des Kristallgitters, entstehen Halbleiterscheiben mit der angestrebten Orientierung des Kristallgitters, wenn beim Abtrennen der Halbleiterscheiben die Schnittebenen durch den Block senkrecht zur Mittellängsachse des Blocks gelegt werden.
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Es gibt jedoch Gründe, derentwegen Einkristalle mit einer Fehlorientierung hergestellt werden. Eine Fehlorientierung des Einkristalls liegt vor, wenn die Mittellängsachse des Einkristalls die angestrebte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben nicht repräsentiert, sondern mit einer diese Orientierung repräsentierenden kristallographischen Achse einen Winkel θ einschließt. Das kann unabsichtlich geschehen, beispielsweise wenn bereits der Impfkristall fehlorientiert ist oder die Fehlorientierung während des Ziehens des Einkristalls entsteht, oder absichtlich, beispielsweise wenn die Fehlorientierung herbeigeführt wird, um Versetzungen einfacher beseitigen zu können, was zur Herstellung von (110)-orientierten Halbleiterscheiben aus Silizium häufig praktiziert wird.
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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Herstellung von Halbleiterscheiben mit einer angestrebten Orientierung des Kristallgitters durch Bearbeiten fehlorientierter Einkristalle.
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Gemäß dem in der
JP 2000-323 443 A beschriebenen Verfahren wird vom Einkristall zunächst ein Block abgetrennt, wobei die Schnittebenen senkrecht zur Mittellängsachse des Einkristalls gelegt werden. Anschließend wird die Umfangsfläche des Blocks um die kristallographische Achse geschliffen, welche die angestrebte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben repräsentiert. Der geschliffene Block hat die Form eines schiefen Zylinders, dessen Stirnflächen nicht senkrecht zu dieser kristallographischen Achse liegen. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass korrekt orientierte runde Halbleiterscheiben entstehen, wenn die Schnittebenen beim Abtrennen der Halbleiterscheiben vom Block senkrecht zur die angestrebte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben repräsentierenden Achse ausgerichtet sind. Ein Nachteil dieser Vorgehensweise ist, dass an den Stirnseiten des Blocks Produkte mit keilförmigem Querschnitt entstehen, die als Abfall die Ausbeute des Verfahrens herabsetzen.
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Gemäß dem in der
EP 1 498 516 A1 beschriebenen Verfahren wird vom Einkristall zunächst ein Block abgetrennt, wobei die Schnittebenen senkrecht zur Mittellängsachse des Einkristalls gelegt werden. Anschließend wird der Block um die Mittellängsachse geschliffen, wobei er die Form eines Zylinders erhält. Die Stirnflächen des geschliffenen Blocks liegen senkrecht zu dessen Mittellängsachse. Beim Abtrennen der Hableiterscheiben wird der geschliffene Block so orientiert, dass die Schnittebenen senkrecht zur kristallographischen Achse liegen, welche die angestrebte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben repräsentiert. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass an den Stirnseiten des Blocks Produkte mit keilförmigem Querschnitt entstehen, die als Abfall die Ausbeute des Verfahrens herabsetzen. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Orientierung des Blocks in der Drahtsäge erfolgen muss. Das Schneiden von mehreren kurzen Blöcken in einem Schnitt ist nicht möglich, und das Orientieren des Blocks in der Drahtsäge ist aufwändig und fehleranfällig. Nachteilig ist auch, dass die abgetrennten Halbleiterscheiben wegen der Lage der Schnittebenen nicht rund sind, sondern eine ovale Form haben.
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DE 198 25 051 A1 beschreibt ein Verfahren, das zylinderförmige Einkristalle mit exakt orientierter Kristallachse zugänglich macht.
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US 2004 0 118 338 A1 beschreibt ein Verfahren zum Teilen von Einkristallen, wobei ein Einkristall derart orientiert wird, dass eine spezifizierte kristallographische Orientierung in einer Schneidebene liegt.
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US 2010 0 089 209 A1 beschreibt ein Verfahren zum Abtrennen einer Vielzahl von Halbleiterscheiben von einem Verbund-Werkstück, zu dem zwei Teilstücke verbunden sind.
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JP 2009 186 181 A beschreibt ein Verfahren, das vorsieht, einen Einkristall zunächst senkrecht zu dessen Mittellängsachse zu schneiden.
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Aufgabe des vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren vorzustellen, das genannte Nachteile nicht hat.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von Halbleiterscheiben durch Bearbeiten eines Einkristalls, der in gewachsenem Zustand vorliegt und dessen Mittellängsachse eine Orientierung aufweist, die von einer angestrebten Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben abweicht, umfassend die nachfolgenden Schritte in der Reihenfolge:
das Ermitteln der Lage einer die angestrebte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben repräsentierenden kristallographischen Achse;
das Abtrennen von mindestens einem Block vom Einkristall entlang von Schnittebenen senkrecht zur kristallographischen Achse, welche die angestrebte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben repräsentiert, wobei ein erster und ein zweiter konusförmiger Abschnitt vom Anfang beziehungsweise vom Ende des Einkristalls entfernt werden;
das Schleifen der Mantelfläche des Blocks um die kristallographische Achse; und
das Abtrennen einer Vielzahl von Halbleiterscheiben vom geschliffenen Block entlang von Schnittebenen senkrecht zur kristallographischen Achse.
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Bei Anwendung des Verfahrens kann der geschliffene Block in Halbleiterscheiben mit der angestrebten Orientierung des Kristallgitters geschnitten werden, ohne dass Ausbeuteverluste durch Produkte mit keilförmigem Querschnitt entstehen. Darüber hinaus können zwei oder mehrere Blöcke, die in kurzem Abstand oder sich berührend hintereinander angeordnet sind, unter nahezu vollständiger Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Drahtfelds gleichzeitig in Halbleiterscheiben getrennt werden. Der damit verbundene wirtschaftliche Vorteil ist besonders hoch, wenn vergleichsweise kurze Blöcke mit vergleichsweise großem Durchmesser zu Halbleiterscheiben geschnitten werden müssen. Es ist daher bevorzugt, das Verfahren anzuwenden, um Halbleiterscheiben aus Silizium mit einem Nenndurchmesser von 300 mm oder 450 mm herzustellen, wobei vorzugsweise zwei oder mehrere geschliffene Blöcke hintereinander angeordnet werden, um die Halbleiterscheiben gleichzeitig von den Blöcken abzutrennen.
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Ausgangsprodukt des Verfahrens ist ein in gewachsenem Zustand („as-grown”) vorliegender Einkristall mit einer Fehlorientierung im eingangs definierten Sinn, vorzugsweise ein entsprechender Einkristall aus Silizium. Die Fehlorientierung, ausgedrückt durch den Winkel θ zwischen der Mittellängsachse und der die angestrebte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben repräsentierenden kristallographischen Achse, beträgt vorzugsweise mehr als 0° und nicht mehr als 2°, besonders bevorzugt nicht mehr als 1°.
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Endprodukt des Verfahrens sind Halbleiterscheiben mit der angestrebten Orientierung des Kristallgitters. Die angestrebte Orientierung des Kristallgitters ist beliebig. Sie kann beispielsweise durch eine <100>- oder eine <110>- oder eine <111>-orientierte Achse repräsentiert werden oder durch eine Achse, deren Orientierung von einer solchen Achse um einen Winkel α abweicht und deren Projektion auf die Oberfläche der Halbleiterscheibe mit einer Bezugsrichtung in der Ebene der Oberfläche einen Winkel β einschließt. Vertreter der zuletzt genannten Art von Halbleiterscheiben sind Halbleiterscheiben aus Silizium mit einer Oberfläche, die von der (110)-Orientierung geringfügig abweicht. In der
DE 10 2008 026 784 A1 ist ein Verfahren beschrieben, das die Herstellung solcher Halbleiterscheiben umfasst.
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Am Anfang des Verfahrens wird mindestens ein Block vom Einkristall abgetrennt. Im Zuge dessen werden auch ein erster und ein zweiter konusförmiger Abschnitt vom Anfang beziehungsweise vom Ende des Einkristalls entfernt. Das bevorzugte Trennwerkzeug ist eine Bandsäge. Die Schnittebenen werden so gewählt, dass sie senkrecht zur kristallographischen Achse liegen, welche die angestrebte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben repräsentiert. Der entstehende Block hat wegen der Fehlorientierung des Einkristalls annähernd die Form eines schiefen Zylinders. Es ist bevorzugt, zwei oder mehrere solcher Blöcke entlang parallel liegender Schnittebenen vom Einkristall abzutrennen.
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Die Lage der die angestrebte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben repräsentierenden kristallographischen Achse relativ zur Mittellängsachse des Einkristalls kann beispielsweise mittels Röntgenbeugung ermittelt werden. Bevorzugt ist jedoch ein Verfahren, das ohne den Einsatz von Röntgenstrahlung auskommt. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der
DE 195 26 711 A1 beschrieben. Es verwendet auf dem Einkristall sichtbare Flächen mit bekannter Orientierung als Bezugsebenen. Solche Flächen sind beispielsweise die (111)-Flächen, die bei Einkristallen aus Silizium mit <100>-Orientierung oder einer davon geringfügig abweichenden Orientierung im Schulterbereich des ersten konusförmigen Abschnitts des Einkristalls sichtbar sind. Die Lage der kristallographischen Achse, welche die angestrebte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben repräsentiert, wird mit Hilfe der Flächen mit bekannter Orientierung als Bezugsebenen optisch ermittelt. Zweckmäßigerweise wird ein Laserstrahl auf die Flächen gerichtet und der reflektierte Strahl über geeignet angeordnete Spiegel zur Bestimmung der Lage der kristallographischen Achse ausgewertet.
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Die damit erhaltene Information wird dann verwendet, um den Einkristall so auszurichten, dass beim Abtrennen des mindestens einen Blocks die von der Bandsäge vollzogenen Schnitte in Schnittebenen erfolgen, die senkrecht zur ermittelten kristallographischen Achse liegen.
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Die damit erhaltene Information kann gemäß einer bevorzugten Ausbildung des Verfahrens darüber hinaus verwendet werden, um den Einkristall wie beschrieben auszurichten und um eine Bezugsrichtung in der Ebene der späteren Oberfläche der Halbleiterscheibe zu markieren. Das kann beispielsweise geschehen, indem eine die Bezugsrichtung markierende Kerbe („notch”) in die Umfangsfläche des Einkristalls geschliffen wird oder Markierungen angebracht werden, um eine solche Kerbe zu einem späteren Zeitpunkt schleifen zu können.
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Die Mantelfläche des vom Einkristall abgetrennten Blocks wird anschließend um die ermittelte kristallographische Achse geschliffen, so dass er die Form eines Zylinders erhält. Die die angestrebte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben repräsentierende kristallographische Achse liegt parallel zur Mittellängsachse des Zylinders. Der Durchmesser des Zylinders ist vorzugsweise etwas größer als der Nenndurchmesser der herzustellenden Halbleiterscheiben, damit deren Kanten noch geschliffen und poliert werden können, ohne den Nenndurchmesser zu unterschreiten.
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Nach dem Schleifen der Mantelfläche des Blocks werden Halbleiterscheiben vom geschliffenen Block abgetrennt und zwar entlang von Schnittebenen, die senkrecht zur die angestrebte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben repräsentierenden kristallographischen Achse liegen. Die Stirnflächen des geschliffenen Blocks bilden Bezugsflächen, die parallel zu den vorgesehenen Schnittebenen liegen. Es ist daher vergleichsweise einfach, den geschliffenen Block zum Abtrennen der Halbleiterscheiben korrekt zu orientieren. Es ist nur darauf zu achten, dass das Trennwerkzeug, beispielsweise die Drähte des Drahtfelds einer Drahtsäge und die Stirnflächen des geschliffenen Blocks parallel ausgerichtet sind, oder dass die Drähte senkrecht zur Mantellfläche des Zylinders liegen.
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Zur Optimierung des Durchsatzes ist es bevorzugt, die Halbleiterscheiben mit Hilfe einer Drahtsäge abzutrennen und dabei möglichst sämtliche Drähte des Drahtfelds zu verwenden. Gegebenenfalls werden deshalb zwei oder mehrere Blöcke in kurzem Abstand hintereinander angeordnet oder vorzugsweise in dieser Anordnung zusammengeklebt, so dass das zur Verfügung stehende Drahtfeld möglichst vollständig ausgenutzt wird. Darüber hinaus oder als Alternative können auch zwei oder mehrere der Blöcke nebeneinander angeordnet und die Halbleiterscheiben von den Blöcken gleichzeitig abgetrennt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Zeichnungen an einem Beispiel näher beschrieben.
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1 zeigt einen in einem gewachsenen Zustand vorliegenden Einkristall („ingot”) vor dessen Bearbeitung in konventioneller Weise.
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2 zeigt den im gewachsenen Zustand vorliegenden Einkristall („ingot”) vor dessen erfindungsgemäßer Bearbeitung.
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3 zeigt einen aus dem Einkristall gemäß 1 in konventioneller Weise abgetrennten Block.
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4 zeigt den Block gemäß 3, nachdem dessen Mantelfläche um die Mittellängsachse geschliffen wurde.
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5 zeigt den Block gemäß 3, nachdem dessen Mantelfläche um die kristallographische Achse geschliffen wurde, welche die gewünschte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben repräsentiert.
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6 zeigt einen aus dem Einkristall gemäß 2 abgetrennten Block nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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7 zeigt den Block gemäß 6, nachdem dessen Mantelfläche um die kristallographische Achse geschliffen wurde, die die gewünschte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben repräsentiert.
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8 zeigt die Orientierung des Kristallgitters einer aus dem geschliffenen Block gemäß 4 abgetrennten Halbleiterscheibe.
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9 zeigt die relative Lage der kristallographischen Achse, welche die angestrebte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben repräsentiert, und von Schnittebenen beim Abtrennen von Halbleiterscheiben in konventioneller Weise von einem geschliffenen Block gemäß 5.
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10 zeigt die relative Lage der kristallographischen Achse, welche die gewünschte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben repräsentiert, und von Schnittebenen beim Abtrennen von Halbleiterscheiben vom geschliffenen Block gemäß 7 bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Der in 1 und 2 dargestellte Einkristall, im verwendeten Beispiel ein Einkristall aus Silizium mit einer in <100>-Richtung orientierten Mittellängsachse M umfasst im gewachsenen Zustand konusförmige Abschnitte 1 und 2 am Anfang und am Ende des Einkristalls und einen Abschnitt 3 mit nahezu einheitlichem Durchmesser zwischen den konusförmigen Abschnitten. Im Bereich der Schulter, also im Bereich des an den Abschnitt 3 angrenzenden Teils des ersten konusförmigen Abschnitts 1 sind ebene Flächen 4 vorhanden, deren Flächennormale in <111>-Richtung zeigen. Die Mittellängsachse M weist eine Orientierung auf, die von der kristallographischen Achse A, welche die angestrebte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben repräsentiert, abweicht. Die beiden Achsen schließen einen Winkel θ ein. Die Flächen 4 werden vorzugsweise als Bezugsflächen verwendet, zu denen die Lage der kristallographische Achse A mit optischen Mitteln bestimmt wird. Der Winkel zwischen der Flächennormalen der Flächen 4 und der <100>-Richtung beträgt zum Beispiel 54,73°.
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Vom Einkristall wird mindestens ein Block abgetrennt.
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In konventioneller Weise durchgeführt, wird der Block entlang von Schnittebenen SM abgetrennt (1), die senkrecht zur Mittellängsachse M liegen. Dabei entsteht der in 3 dargestellte Block 5. Dessen Mittellängsachse M weist eine Orientierung auf, die von der Orientierung der kristallographischen Achse A, welche die angestrebte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheiben repräsentiert, abweicht.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Block entlang von Schnittebenen SA abgetrennt, die senkrecht zur kristallographischen Achse A liegen (2). Dabei entsteht der in 6 dargestellte Block 6.
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Die Mantelfläche des Blocks wird rund geschliffen.
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In konventioneller Weise durchgeführt, wird die Mantelfläche des Blocks 5 von 3 um die Mittelachse M oder um die kristallographische Achse A geschliffen. Im ersten Fall entsteht dabei der geschliffene Block 7 gemäß 4, der die Form eines Zylinders hat oder der geschliffene Block 8 gemäß 5, der die Form eines schiefen Zylinders hat.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Mantelfläche des in 6 dargestellten Blocks 6 um die kristallographische Achse A geschliffen, wodurch der geschliffene Block 9 die in 7 dargestellte Form eines Zylinders erhält. Die kristallographische Achse A des geschliffenen Blocks liegt parallel zu dessen Mittellängsachse.
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Werden Halbleiterscheiben von einem auf die beschriebene konventionelle Weise erhaltenen geschliffenen Block 7 entlang von Schnittebenen SM senkrecht zur Mittellängsachse M abgetrennt (4), entstehen fehlorientierte Halbleiterscheiben, von denen eine 12 in 8 dargestellt ist. Die in <100>-Richtung zeigende Oberflächennormale und die kristallographische Achse A, welche die angestrebte Orientierung des Kristallgitters der Halbleiterscheibe repräsentiert, schließen den Winkel θ' ein. Die [0-11]-Richtung, markiert durch eine Kerbe 10, beschreibt eine in der Ebene der Oberfläche der Halbleiterscheibe liegende Bezugsrichtung. Der Azimutwinkel φ beschreibt den Winkel zwischen der Bezugsrichtung und der Projektion der kristallographischen Achse A auf die Oberfläche der Halbleiterscheibe.
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Halbleiterscheiben werden vom geschliffenen Block abgetrennt.
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Werden Halbleiterscheiben von einem auf die beschriebene konventionelle Weise erhaltenen geschliffenen Block 8 (5) abgetrennt und die Trennschnitte in Schnittebenen SA senkrecht zur kristallographischen Achse A ausgeführt, wie es in 9 gezeigt ist, entstehen an den Stirnseiten des Blocks Produkte 11 mit keilförmigem Querschnitt, die als Halbleiterscheiben nicht verwendbar sind.
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Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der in 7 dargestellte geschliffene Block 9 in Halbleiterscheiben geteilt. Die Halbleiterscheiben werden gemäß der Darstellung in 10 vom geschliffenen Block 9 entlang von Schnittebenen SA senkrecht zur kristallographischen Achse A abgetrennt. Dabei entsteht kein Abfall in Form von Produkten mit keilförmigem Querschnitt. Die Oberflächennormale der entstehenden Halbleiterscheiben zeigt in die Richtung der kristallographischen Achse A, und die Halbleiterscheiben haben deshalb die angestrebte Orientierung des Kristallgitters.
