DE19725535A1

DE19725535A1 - Verfahren zur Ermittlung der kristallographischen Orientierung von Einkristall-Oberflächen

Info

Publication number: DE19725535A1
Application number: DE19725535A
Authority: DE
Inventors: Albrecht Dipl Ing Hertzsch
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 1997-06-17
Filing date: 1997-06-17
Publication date: 1998-12-24

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der kristallographischen Orientierung von Einkristall-Oberflächen.

Die Miniaturisierung von dreidimensionalen Strukturen aus einkristallinem Halbleitermaterial sowie die Ionenimplantation und/oder die epitaktische Beschichtung von Halbleitermaterial in der Halbleiter-Prozeßtechnik erfordern eine präzise kristallographische Ausrichtung des Halbleiter materials. Üblicherweise werden von einem Halbleitereinkristallblock Scheiben (Wafer) mechanisch so abgetrennt, daß deren Oberflächen im wesentlichen (100)-, (110)- oder (111)-Ebenen des Kristallgitters entsprechen. Die Orientierung des Kristallgitters zur Waferoberfläche wird durch eine am Umfang des Wafers angeschliffene, ebene Kante (Flat) markiert, die meist die (110)-Ebene des Kristallgitters verkörpert oder die einen definierten Winkel zur (110)-Ebene einnimmt. Dieser Flat dient als Justierlinie oder Anschlag bei Belichtungs- und Ritzmaschinen. Mit dem bisherigen Stand der Technik läßt sich ein solches Flat mit einer Genauigkeit von ±0.3° bis ±1° bezüglich der tatsächlichen (110)-Ebene des Kristallgitters markieren. Jedoch sind für die Nachfolgeprozesse (z. B. für die Belichtung von Ätzmasken) oftmals Winkelfehler von nur 0,01° zulässig. Somit muß mit einem zusätzlichen Meßverfahren die Winkelabweichung des Flats bestimmt werden.

Ein solches Verfahren ist die Röntgenuntersuchung des Wafers anhand von Laue-Aufnahmen oder Nahwinkelbeugungsbildern. Diese Untersuchungen erfordern jedoch den Einsatz komplizierter Apparaturen, umfangreicher Arbeitsschutzvorrichtungen sowie zusätzlicher Zeitaufwände.

Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Bestimmung der kristallographischen Flatorientierung ist die Auswertung von Laserstrahl-Reflexionen an den makroskopischen Bruchflächen des Wafers (DE 39 27 575). Dieses relativ einfache Verfahren erlaubt jedoch keine zerstörungsfreie Prüfung des Wafers. Ebenfalls ist bekannt, die Kristallorientierung in Echtzeit mit Hilfe von Laserstrahl-Reflexionsmustern der vorbehandelten Waferoberfläche zu bestimmen (EP 0 263 621, DE 41 27 707, DE 40 22 904). Hierbei muß allerdings in einem zusätzlichen Prozeßschritt die Waferoberfläche, beispielsweise durch Ätzen oder Läppen, aufgerauht werden, um Oberflächenstrukturen zu erzeugen, die fehlerfrei die kristalline Struktur des Werkstoffes charakterisieren und sehr deutliche Reflexions- bzw. Beugungsmuster erzeugen. Diese Voraussetzungen sind aber insbesondere bei mechanischen Herstellungs- und Bearbeitungsverfahren von Halbleitern nicht gegeben. Spaltbruchflächen, wie sie insbesondere bei der Bearbeitung von spröden Halbleitern entstehen, sind häufig verzerrt (beispielsweise durch Bearbeitungsprozesse, Kristallfehler bzw. Versetzungen). Hier stößt das Verfahren ohne die besagten zusätzlichen Prozeßschritte, die allerdings den Bearbeitungsaufwand erhöhen, an die Grenzen seiner Anwendbarkeit. Darüber hinaus ist es erforderlich, die kristallographische Richtung unmittelbar im Herstellungsprozeß der Halbleiterkristalle zu erfassen und zu markieren.

Ein streulichtoptisches Verfahren zur Bestimmung der Kristallorientierung einer unpräparierten mechanisch bearbeiteten Einkristalloberfläche wird für Silizium von Hertzsch und Weiß ("surface science" Jahrgang 96, Heft 364, S. 178-192) und für GaAs von Hertzsch, Hammer und Truckenbrodt ("40. IWK Ilmenau" 1995, Band 3 Vortragsreihen, S. 778-783) beschrieben. Mit Hilfe von zwei Reflexionspeaks der Streulichtverteilung wird die kristallographische Orientierung der Prüflingsoberfläche berechnet. Jedoch erlaubt diese Methode nur eine sehr ungenaue Bestimmung von kristallographischen Richtungen eines einkristallinen Prüflings.

Aufgabe der Erfindung ist es, die kristallographische Orientierung eines Einkristalls mit hoher Genauigkeit, ohne Beschädigung des Einkristalls und möglichst aufwandgering, insbesondere ohne zusätzlich erforderliche Prozeßschritte zur vorherigen Oberflächenpräparation des Einkristalls und/oder zur nachfolgenden Bestimmung kristallographischer Fehlorien tierungen, zu ermitteln. Das Verfahren soll unmittelbar im Herstellungs prozeß des Einkristalls anwendbar sein.

Erfindungsgemäß wird das von Spaltbruchflächen auf der Einkristalloberfläche rückgestreute Licht unter Rotation des Einkristalls in Abhängigkeit des Drehwinkels gemessen. Als Spaltbruchflächen zur Rückstreuung des Lichtes dienen dabei bereits die mikroskopisch kleinen Bruchflächen, wie sie insbesondere bei der Herstellung von relativ spröden Einkristallen entstehen. Aus der azimutalen Intensitätsverteilung des gemessenen Rückstreulichtes werden die Drehwinkeldifferenzen benachbarter Intensitätsmaxima bestimmt. Die so ermittelten Winkel differenzen, durch die das Meßsignal quasi von den azimutalen Absolutwerten entkoppelt ist, werden mit Referenz-Winkeldifferenzwerten eines Simulationsmodells verglichen, das die ideale Lage der Spaltebenen des Einkristalls beschreibt. Dieses Simulationsmodell wird so lange um seine kristallographischen Achsen gedreht, bis zumindest zwei der besagten ermittelten Winkeldifferenzen mit Referenz-Winkeldifferenzwerten des Simulationsmodells übereinstimmen. Von jedem simulierten und tatsächlich ermittelten Intensitätsmaximum wird jeweils die Drehwinkeldifferenz bestimmt. Aus den vier Drehwinkeldifferenzen wird ein Mittelwert berechnet, der zur Eliminierung einer bei der Herstellung des Einkristalls aufgetretenen prozeßabhängigen Verzerrung der kristallographischen Struktur mit einem empirischen Korrekturwert beaufschlagt wird. Das Korrekturergebnis charakterisiert die azimutale Richtung der kristallo graphischen Einkristallstruktur.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß die für die Kristallherstellung mechanisch bearbeitete Oberfläche des Einkristalls (insbesondere des Halbleiterrohlings) keiner besonderen und vor allem zusätzlichen Vor- oder Nachbehandlung bedarf. Somit läßt sich dieses Verfahren als einfaches In-prozeß-Meßverfahren bei der Herstellung von Waferflats anwenden. Die Einkristalloberfläche wird dabei nicht verändert.

Da Fehlorientierungen der Kristalloberfläche nur zu geringen azimutalen Winkelverschiebungen der [110]-Normalen führt (diese kristallographische Richtung bestimmt in vielen Fällen die Lage des Hauptflats an einem Wafer), kann mit der Erfindung die Lage der [110]-Normalen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden.

Die Unteransprüche 2-9 beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Meßverfahren unmittelbar bei der Herstellung eines Flats am Einkristallrohling verwendet. Dazu wird der Einkristallrohling auf einem Drehtisch so gehaltert, daß seine mechanisch bearbeitete Stirnseite nach den Merkmalen des Hauptanspruches ausgerichtet und am Umfang des Rohlings ein oder mehrere Flats bzw. andere Kennungen angebracht werden. Weiterhin eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Prüfung und gegebenenfalls Korrektur der kristallographischen Ausrichtung von Waferflats. Nach der kristallographischen Ausrichtung des Wafers zu einer Bezugsachse wird das Flat unter einem bestimmten Winkel beleuchtet und die Auslenkung der direkten Reflexion gemessen. Aus der Lage des direkten Reflexes bestimmt man die Abweichung der Kennung (Flat) zur gewünschten kristallographischen Richtung und bearbeitet gegebenenfalls unter fester Einstellung z. B. das Flat mit einer Schleifscheibe. Um die Meßzeit für das Rückstreulicht herabzusetzen, können mehrere Lichtquellen und Empfänger azimutal verteilt um den Einkristall angeordnet sein. Der Einkristall wird dann nur noch in einem kleinen azimutalen Winkelbereich um seine Oberflächennormale gedreht.

Dabei ist es möglich, das auf die Kristalloberfläche einfallende Lichtbündel periodisch zu unterbrechen, beispielsweise durch einen im Strahlengang befindlichen Chopper oder durch Einsatz eines gepulsten Lasers als Lichtquelle. Somit kann das Rückstreulicht, insbesondere bei gleicher Frequenz, für den Meßvorgang eindeutig zugeordnet werden. Auf diese Art und Weise läßt sich der Einfluß von Fremdlichtquellen auf das Meßergebnis unterdrücken.

Wird bei mehreren Lichtquellen jedes einfallende Lichtbündel mit einer jeweils charakteristischen Frequenz moduliert, ist die Zuordnung des Streulichts ebenfalls eindeutig.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 Prinzipanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens

Fig. 2 azimutwinkelabhängig gemessene Streulichtverteilung eines trenngeschliffenen (100)-GaAs-Wafers

Fig. 3 Simulationsmodell der Spaltebenen für GaAs
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die zu untersuchende Probe ein Einkristallrohling 1 mit plan geschnittener Stirnfläche 2. Bei der Herstellung der Stirnfläche 2 (mechanische Trennbearbeitung) entstehen mikroskopisch kleine Spaltbruchflächen, die kristallographischen Netzebenen des Einkristallrohlings 1 entsprechen. Der Einkristallrohling 1 ist auf einem Rotationstisch 3 aufgenommen. Eine Lichtquelle 4, beispielsweise ein Laser, beleuchtet die Stirnfläche 2 unter einem definierten Winkel. Der Einfallswinkel ist abhängig von der Neigung der mikroskopisch kleinen Spaltbruchflächen auf der mechanisch bearbeiteten Stirnfläche 2 zur Oberflächennormalen. Die Vorzugsspaltebenen, in denen Materialpartikel bei mechanischer Bearbeitung bevorzugt ausbrechen, sind für GaAs die (110)- Ebenen und für Si die (111)-Ebenen.

Je nach kristallographischer Orientierung der Kristalloberfläche ergeben sich Einfallswinkel des Lichtbündels von ca. 80° bis 35°. Günstigerweise sollte der Winkel zwischen einfallendem Lichtbündel und der Spaltebenennormale nicht größer als 10° sein. Das einfallende Lichtbündel wird an den Mikrospaltebenen in charakteristische Richtungen gestreut. Ein Lichtempfänger 5, z. B. eine Fotodiodenzeile oder eine CCD-Zeile, ist zur Einfallsebene ausgerichtet, die durch den Richtungsvektor des einfallenden Lichtbündels und der Oberflächennormalen des Einkristallrohlings 1 aufgespannt wird. Die am Lichtempfänger 5 gemessene Streulichtintensität ist somit am größten, wenn die Spaltebenennormale innerhalb der Einfallsebene in Rückstreurichtung weist. Durch Drehung des Einkristallrohlings 1 auf dem Rotationstisch 3 um 360° (mit Pfeilsymbol in Fig. 1 angedeutet) werden die Azimutwinkel der Spaltbruchflächen anhand der Streulichtmaxima bestimmt. Fig. 2 zeigt eine typische azimutale Streulichtverteilung für einen mechanisch bearbeiteten (100)-GaAs-Wafer. Es ist die auf eine Eingangsintensität I₀ normierte Streulichtintensität I über den Azimutwinkel ϕ abgetragen. Die gemessene Winkelschrittweite beträgt 0,5°. Spaltebenenverzerrungen durch das Bearbeitungsverfahren sowie die Beugung des einfallenden Lichts an den Oberflächenstrukturen des Einkristallrohlings 1 führen zu einer Verbreiterung der Intensitätsmaxima.

Um die azimutale Lage der Intensitätsmaxima genau bestimmen zu können, werden die Meßdaten durch eine analytische Funktion genähert (Fittung). Hierzu werden insbesondere an sich bekannte Methoden unter Anwendung von Fourieranalyseverfahren, angewendet. Aus den Extremwerten dieser Näherungsfunktion ergeben sich die Azimutwinkel der Spaltebenennormalen. Die relative Lage dieser Azimutwinkel zueinander charakterisiert die Ausrichtung des idealen Kristallgitters zur Stirnfläche 2 von dem Einkristallrohling 1. Es werden Azimutwinkeldifferenzen Δϕ der benachbarten Spaltebenen gebildet, durch welche das Meßsignal quasi von den azimutalen Absolutwerten entkoppelt ist.

Ein Simulationsmodell nach Fig. 3, das die ideale Lage der Spaltebenen des Kristalls beschreibt, wird um seine Kristallachsen mit den Drehwinkeln Ψ, X gedreht, bis zwei aufeinanderfolgende Azimutwinkeldifferenzen der Spaltebenen mit den entsprechenden aus der Streulichtintensitätsverteilung des Einkristallrohlings 1 ermittelten Azimutwinkeldifferenzen Δϕ überein stimmen. Aus der gemittelten Differenz von gemessenen und simulierten Azimutwinkeln der Spaltebenen ergibt sich der azimutale Drehwinkel, der die Verdrehung des kristallographischen Koordinatensystems zum Meßkoordinatensystem beschreibt.

Um die im Herstellungsprozeß eingebrachten Verzerrungen der Spaltebenen auszugleichen, wird die Genauigkeit des gemittelten Drehwinkels durch Anrechnung eines Korrekturwerts erhöht. Dieser empirisch bestimmte Korrekturwert eliminiert die Einflüsse von Schnitt- und Vorschub geschwindigkeit des Bearbeitungsverfahrens auf die Spaltebenenverzerrung. Die drehwinkelabhängige Auswertung der vom Lichtempfänger 5 gemessenen Intensität I, die Bestimmung der Intensitätsmaxima und deren Azimutwinkeldifferenzen, deren Vergleich mit Idealwerten des Simulationsmodells, die Auswertung dieses Vergleiches sowie die Anrechnung des besagten Korrekturwertes werden rechentechnisch durchgeführt. Zu diesem Zweck steht der Lichtempfänger 5 mit einer computergestützten Auswerte- und Steuereinheit 6 in Verbindung, die wiederum zum Zweck der Drehwinkelsteuerung des Einkristallrohlings 1 über eine Steuerleitung 7 mit dem Rotationstisch 3 gekoppelt ist. Ein weiterer Steuerausgang 8 der Auswerte- und Steuereinheit 6 ist mit einer Markierungseinheit 9 verbunden, mit der die ermittelte kristallographische Richtung des Einkristallrohlings 1, beispielsweise durch eine nicht explizit dargestellte (mit Pfeilsysmbol drehbar angedeutete) Schleifscheibe zur Erzeugung eines an sich bekannten Flats unmittelbar am Einkristallrohling 1, markiert werden kann. Zu diesem Zweck werden über die Steuerung des Rotationstisches 3 die zu markierende kristallographische Richtung des Einkristallrohlings 1 exakt senkrecht zur Bearbeitungsebene der Markierungseinheit 9 eingestellt und der Rotationstisch 3 durch die in Fig. 1 mit Pfeilsymbol angedeutete Translationsbewegung auf die Markierungs einheit 9 zubewegt.

Um den Rotationstisch 3 mit dem Einkristallrohling 1 nicht um volle 360° azimutal drehen zu müssen und ggf. die Auswertezeit zu verkürzen, ist es möglich (aus Übersichtsgründen nicht in der Zeichnung dargestellt), nicht nur eine Lichtquelle 4 und einen Lichtempfänger 5 zu verwenden, sondern jeweils mehrere azimutal verteilt um den Rotationstisch anzuordnen. Die eindeutige Zuordnung des empfangenen Rückstreulichtes zum jeweils ausgesendetem Licht (auch zur Eliminierung von Fremdlichtanteilen) kann dabei zweckmäßig durch Frequenzmodulation, Pulsung oder andere bekannte Verfahren zur Lichtbeeinflussung erfolgen.

Bezugszeichenliste

1

Einkristallrohling

2

Stirnfläche

3

Rotationstisch

4

Lichtquelle

5

Lichtempfänger

6

Auswerte- und Steuereinheit

7

Steuerleitung

8

Steuerausgang

9

Markierungseinheit
I₀

Eingangsintensität
I Streulichtintensität
ϕ Azimutwinkel
Ψ, X Drehwinkel
Δϕ, Δϕ₁

, Δϕ₂

Azimutwinkeldifferenz
[

001

], [

010

], [

100

] kristallographische Richtung

(101

), (

101

), (

110

), (

110

) kristallografische Ebene

Claims

1. Verfahren zur Ermittlung der kristallographischen Orientierung von Einkristall-Oberflächen, bei dem das von einer Lichtquelle ausgestrahlte und von der Oberfläche des Einkristalls rückgestreute Licht in Abhängigkeit des Azimutwinkels ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- das von im Herstellungsprozeß des Einkristalls entstandenen mikroskopisch kleinen Spaltbruchflächen rückgestreute Licht unter Rotation des Einkristalls drehwinkelabhängig gemessen wird,
- von den drehwinkelabhängigen Intensitätsmeßwerten des rückgestreuten Lichtes die Winkeldifferenzen jeweils benachbarter Intensitätsmaxima bestimmt werden,
- die Winkeldifferenzen mit Referenzwerten von einem Simulationsmodell verglichen werden, das die ideale Lage der Spaltebenen des Einkristalls beschreibt und welches für diesen Vergleich bis zur Übereinstimmung von zumindest zwei Winkeldifferenzen um seine kristallographischen Achsen gedreht wird,
- vom Drehwinkel jedes simulierten und ermittelten Intensitätsmaximums jeweils die Differenz und aus allen Differenzen der Mittelwert gebildet werden und
- dieser Mittelwert zur Eliminierung einer bei der Herstellung des Einkristalls aufgetretenen prozeßabhängigen Verzerrung der kristallographischen Struktur mit einem empirischen Korrekturwert beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Winkellage der Intensitätsmaxima des rückgestreuten Lichtes die Intensitätsmeßwerte durch eine analytische Funktion, insbesondere unter Anwendung von Fourieranalyseverfahren, approximiert werden, und die Maxima dieser analytischen Funktion ermittelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von mikroskopisch kleinen Spaltbruchflächen auf der Oberfläche eines Halbleiterrohlings rückgestreute Licht gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von mikroskopisch kleinen Spaltbruchflächen auf der Oberfläche eines Wafers rückgestreute Licht gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Einkristalls durch mehrere azimutal um den Einkristall angeordnete Lichtquellen bestrahlt und das von den mikroskopisch kleinen Spaltbruchflächen rückgestreute Licht durch mehrere ebenfalls azimutal um den Einkristall angeordnete Empfänger gemessen werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur eindeutigen Meßwertzuordnung das Licht für die Bestrahlung der Oberfläche des Einkristalls gepulst wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur eindeutigen Meßwertzuordnung das Licht zur Bestrahlung der Oberfläche des Einkristalls frequenzmoduliert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kristallographischen Orientierung der Einkristallstruktur, z. B. durch einen Flat, eine Nut oder andere Kennungen am Einkristall bzw. durch eine Kennung an der Aufnahme des Einkristalls, markiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte zur Auswertung des von den mikroskopisch kleinen Spaltbruchflächen rückgestreuten Lichtes rechentechnisch durchgeführt werden.