DE19825051A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines zylinderförmigen Einkristalls und Verfahren zum Abtrennen von Halbleiterscheiben - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines zylinderförmigen Einkristalls und Verfahren zum Abtrennen von Halbleiterscheiben

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines zylinderförmigen Einkristalls aus Halbleitermaterial mit möglichst geringer Fehlorientierung des Kristallgitters. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Abtrennen von Halbleiterscheiben von zwei oder mehreren solcher Einkristalle mittels Drahtsägen. Das Verfahren zur Herstellung des Einkristalls umfaßt folgende Schritte: DOLLAR A a) Herstellen eines Einkristalls mit einer Fehlorientierung des Kristallgitters von höchstens 1,5 DEG ; DOLLAR A b) Anordnen des Einkristalls in einer Weise, daß der Einkristall um zwei Drehachsen gedreht werden kann, wobei die Drehachsen senkrecht zu zwei Ebenen liegen, die von zwei Achsen eines rechtwinkeligen Koordinatensystems mit den Achsen x, y und z aufgespannt werden; DOLLAR A c) Drehen des Einkristalls um die Drehachsen bis die Kristallachse parallel zur x,y-Ebene und parallel zur x,z-Ebene des Koordinatensystems liegt; DOLLAR A e) Anbringen von Druckstücken an den Stirnseiten des Einkristalls; und DOLLAR A f) Drehen des Einkristalls um die Kristallachse, wobei der Einkristall zwischen den Druckstücken in einer Schleifmaschine eingespannt ist, und Abschleifen einer Mantelfläche des Einkristalls bis der Einkristall einen bestimmten, einheitlichen Durchmesser aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines zylinderförmigen Einkristalls aus Halbleiter­ material mit möglichst geringer Fehlorientierung des Kristall­ gitters. Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Abtrennen von Halbleiterscheiben von zwei oder mehreren solcher Einkristalle mittels Drahtsägen.
Das Kristallgitter von zylinderförmigen Einkristallen aus Halb­ leitermaterial weist häufig eine bestimmte Fehlorientierung auf. Eine Fehlorientierung liegt vor, wenn die Kristallachse und die geometrische Achse des Einkristalls einen bestimmten Winkel einschließen. Die Kristallachse ist eine die kristallo­ graphische Orientierung des Kristallgitters bezeichnende Achse. Für die Herstellung von elektronischen Bauelementen werden ins­ besondere Kristalle aus Silicium benötigt, die beispielsweise eine <100<, <511<, <110< oder <111< Kristallorientierung auf­ weisen. Die Bestimmung der räumlichen Lage der Kristallachse erfolgt nach einer röntgenoptischen Methode, beispielsweise ge­ mäß dem in der deutschen Normvorschrift DIN 50433 (Teil 1) be­ schriebenen Verfahren. Die geometrische Achse eines zylinder­ förmigen Einkristalls entspricht der durch die Mitte des Ein­ kristalls führenden Längsachse des Einkristalls.
Üblicherweise muß jeder Einkristall untersucht werden, ob eine Fehlorientierung des Kristallgitters vorliegt, und die Schnei­ debenen durch den Einkristall beim Abtrennen von Halbleiter­ scheiben so gelegt werden, daß Halbleiterscheiben mit einer ge­ wünschten Kristallorientierung entstehen. Dieses Verfahren ist besonders aufwendig und fehleranfällig.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Verfügung, das zylinder­ förmige Einkristalle mit exakt orientierter Kristallachse zu­ gänglich macht.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung ei­ nes zylinderförmigen Einkristalls aus Halbleitermaterial, der ein Kristallgitter, eine Kristallachse und eine geometrische Achse aufweist, wobei die räumliche Lage der Kristallachse röntgenoptisch festgestellt wird. Das Verfahren ist gekenn­ zeichnet durch die folgenden Schritte:
  • a) Herstellen eines Einkristalls mit einer Fehlorientierung des Kristallgitters von höchstens 1,5°;
  • b) Anordnen des Einkristalls in einer Weise, daß der Einkri­ stall um zwei Drehachsen gedreht werden kann, wobei die Dreh­ achsen senkrecht zu zwei Ebenen liegen, die von zwei Achsen ei­ nes rechtwinkeligen Koordinatensystems mit den Achsen x, y und z aufgespannt werden;
  • c) Drehen des Einkristalls um die Drehachsen bis die Kristall­ achse parallel zur x,y-Ebene und parallel zur x,z-Ebene des Koordinatensystems liegt;
  • d) Anbringen von Druckstücken an den Stirnseiten des Einkri­ stalls; und
  • e) Drehen des Einkristalls um die Kristallachse, wobei der Ein­ kristall zwischen den Druckstücken in einer Schleifmaschine eingespannt ist, und Abschleifen einer Mantelfläche des Einkri­ stalls bis der Einkristall einen bestimmten, einheitlichen Durchmesser aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch
  • a) ein Röntgengoniometer zum Feststellen der räumlichen Lage einer Kristallachse des Einkristalls;
  • b) eine Dreheinrichtung, auf der der Einkristall gelagert und um zwei Drehachsen gedreht werden kann, wobei die Drehachsen senkrecht zu zwei Ebenen liegen, die von zwei Achsen eines rechtwinkeligen Koordinatensystems mit den Achsen x, y und z aufgespannt werden; und
  • c) Mittel zum Anbringen von Druckstücken an den Stirnseiten des Einkristalls.
Zur Durchführung des Verfahrens ist ein Einkristall bereitzu­ stellen, der zweckmäßigerweise gemäß der Czochralski-Methode (CZ-Verfahren) oder durch Zonenziehen (FZ-Verfahren) herge­ stellt wurde. Zur Herstellung des Einkristalls wird ein Impf­ kristall benötigt, der vorzugsweise aus einkristallinem Materi­ al herausgetrennt wird. Bei der Gewinnung des Impfkristalls ist zu beachten, daß das Kristallgitter des Impfkristalls eine Fehlorientierung von höchstens 1,5° aufweist. Der auf dem Impfkristall aufwachsende Einkristall darf ebenfalls eine Fehlorientierung von höchstens 1,5°, vorzugsweise 0,5° auf­ weisen, das heißt, der Winkel zwischen der geometrischen Achse des Einkristalls und der Kristallachse des Einkristalls darf den angegebenen Maximalwert nicht überschreiten.
Ein gemäß Schritt a) des Verfahrens hergestellter Einkristall wird erfindungsgemäß in einer Weise angeordnet, daß er um zwei Drehachsen gedreht werden kann, die senkrecht zu zwei Ebenen liegen, die von zwei Achsen eines rechtwinkeligen Koordinaten­ systems mit den Achsen x, y und z aufgespannt werden. In dieser Lage wird der Einkristall um die Drehachsen gedreht, bis die Kristallachse parallel zur x,y-Ebene und parallel zur x,z-Ebene des Koordinatensystems liegt. Die Drehachsen schneiden sich vorzugsweise in der Mitte L/2 des Einkristalls, wobei L die Länge des Einkristalls ist. Liegt der Schnittpunkt genau in der Mitte L/2 und sind die Länge L und der Enddurchmesser des ge­ schliffenen Einkristalls vorgegeben, können bei dieser Lage des Schnittpunktes der Drehachsen Fehlorientierungen der Kristall­ achse beseitigt werden, die bei jeder anderen Lage des Schnittpunktes der Drehachsen nicht mehr zu korrigieren wären, ohne daß der vorgegebene Enddurchmesser beim Schleifen der Man­ telfläche unterschritten werden müßte.
Das Verfahren und eine zur Durchführung des Verfahrens geeigne­ te Vorrichtung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt schematisch, wie ein Einkristall gemäß einer Aus­ führungsform des Verfahrens im Raum bewegt werden muß, um eine möglichst geringe Fehlorientierung des Kristallgitters zu er­ reichen;
in Fig. 2 ist gezeigt, wie sich dieses Ziel gemäß einer anderen Ausführungsform des Verfahrens verwirklichen läßt.
In Fig. 3 ist eine bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Verfahrensvariante wird der Ein­ kristall 1 um die Drehachsen 2 und 3 gedreht, die einen 90°- Winkel einschließen und sich bei L/2 schneiden. Die Drehachse 2 liegt senkrecht zur x,y-Ebene des Koordinatensystems, die Dreh­ achse 3 senkrecht zur x,z-Ebene. Die Achse 4 ist die geometri­ sche Achse des Einkristalls. Die Drehachse 2 wird um einen, dem Winkel α entsprechenden Winkel, und die Drehachse 3 um einen, dem Winkel β entsprechenden Winkel gedreht. Die Lage der Kri­ stallachse 5 im Koordinatensystem wird röntgenoptisch festge­ stellt. Zu diesem Zweck trifft der Strahl eines Röntgengoniome­ ters an einer Stirnseite des Einkristalls auf. Das Drehen des Einkristalls kann automatisch geregelt erfolgen oder durch ei­ nen Operator vorgenommen werden. Als Regelgröße dient die In­ tensität der am Kristallgitter gestreuten Röntgenstrahlung. Das Röntgengoniometer wird vorzugsweise so justiert, daß die Inten­ sität der registrierten Röntgenstrahlung beim Drehen des Ein­ kristalls jeweils ein Maximum erreicht, wenn die Kristallachse parallel zur x,y-Ebene, beziehungsweise parallel zur x,z-Ebene ausgerichtet ist. Der Operator hat dann keine Mühe, den Einkri­ stall in die gewünschte Position zu drehen.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Verfahrensvariante wird der Einkri­ stall zunächst um die geometrische Achse 4 gedreht, bis die Kristallachse 5 parallel zur x,y-Ebene liegt. Der Einkristall ist so angeordnet, daß die geometrische Achse senkrecht zur y,z-Ebene des Koordinatensystems liegt. Gemäß der Darstellung muß der Einkristall um einen Winkel α' gedreht werden. An­ schließend wird der Einkristall 1 um einen Winkel β' gedreht. Als Drehachse wird eine Achse 2 gewählt, die senkrecht zur x,y- Ebene des Koordinatensystems liegt. Nach dem Drehen des Einkri­ stalls ist die Kristallachse 5 parallel zur x,y-Ebene und par­ allel zur x,z-Ebene ausgerichtet.
In Fig. 3 ist eine Vorrichtung dargestellt, mit der ein Einkri­ stall in der anhand von Fig. 2 beschriebenen Weise gedreht wer­ den kann. Die Vorrichtung umfaßt ein Röntgengoniometer 6, eine Dreheinrichtung 7 und Mittel 8 zum Anbringen von Druckstücken 9 an den Stirnseiten 10 des Einkristalls 1. Der Einkristall ist mit Hilfe von Zentrierringen 11 so auf der Dreheinrichtung ge­ lagert, daß er um die geometrische Achse 4 und die Drehachse 2 drehbar ist. Besonders bevorzugt ist, Zentrierringe 11 zu ver­ wenden, deren Innenradius wie der Innenradius einer Irisblende verengt werden kann. Die geometrische Achse 4 liegt senkrecht zur y,z-Ebene des Koordinatensystems, die Drehachse 2 senkrecht zu dessen x,y-Ebene. Die Dreheinrichtung ist auf einem Tisch 14 angeordnet und kann auf diesem beispielsweise zum Justieren des Röntgengoniometers, linear verschoben werden. Zur Erleich­ terung des Justierens kann eine Anschlagrolle 15 bereitgestellt werden, die so angeordnet ist, daß eine optimale Justierung vorliegt, sobald die Stirnseite 10 des Einkristalls die An­ schlagrolle beim linearen Verschieben der Dreheinrichtung be­ rührt.
Es ist klar, daß die Vorrichtung ohne weiteres so abgewandelt werden kann, daß der Einkristall mit der Dreheinrichtung statt um die geometrische Achse 4 um eine Drehachse gedreht werden kann, die senkrecht zur x,z-Ebene des Koordinatensystems liegt und die andere Drehachse vorzugsweise bei L/2 schneidet. In diesem Fall kann mit der Vorrichtung die Verfahrensvariante ge­ mäß Fig. 1 durchgeführt werden.
Wenn die Kristallachse in der gewünschten Weise ausgerichtet ist, werden Druckstücke 9 an die Stirnseiten 10 des Einkri­ stalls herangeführt und an diesen fixiert, vorzugsweise an die­ se aufgeklebt. Druckstücke sind Halterungen, zwischen denen der Einkristall beim Schleifen der Mantelfläche in einer Schleifma­ schine eingespannt ist. Die Druckstücke werden so an die Stirn­ seiten gesetzt, daß sie von der Kristallachse zentrisch durch­ drungen werden und die Kristallachse während des Schleifens der Mantelfläche des Einkristalls auch Rotationsachse ist. Zum An­ setzen der Druckstücke verfügt die Vorrichtung über einen Vor­ schub 13, der die Druckstücke entlang der Kristallachse linear gegen die Stirnseiten verschiebt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Druckstücke von einer magnetisierten Kugel gehalten werden, bevor sie auf den Stirnseiten des Einkristalls befestigt werden. Die Druckstücke können dadurch auch dann noch exakt positioniert werden, wenn die Stirnseiten nicht genau parallel zur y,z-Ebene des Koordinatensystems ausgerichtet sein sollten.
Zum Schluß des Verfahrens wird die Mantelfläche 12 des Einkri­ stalls geschliffen, bis der Einkristall einen vorbestimmten, einheitlichen Enddurchmesser aufweist.
Die Erfindung ermöglicht, Einkristalle, die auf die beschriebe­ ne Weise hergestellt wurden, einfach und effektiv zu Halblei­ terscheiben zu zerteilen. Die Halbleiterscheiben werden vor­ zugsweise mittels einer Drahtsäge und unter Ausnutzung der ge­ samten Breite eines als Sägewerkzeug eingesetzten Drahtgatters der Drahtsäge von einem Einkristall mit ausreichender Länge oder von zwei oder mehreren kürzeren Einkristallen mit einer der Breite des Drahtgatters möglichst entsprechenden Gesamtlän­ ge abgetrennt. Die dazu notwendigen Vorarbeiten, insbesondere im Hinblick auf das richtige Ausrichten von zwei oder mehreren Einkristallen sind denkbar einfach, wobei Fehler kaum gemacht werden können. Die Einkristalle mit einer der Breite des Draht­ gatters möglichst entsprechenden Gesamtlänge werden auf einer ebenen Unterlage entlang einer geraden Führungskante nebenein­ ander so angeordnet, daß die Mantelfläche jedes Einkristalls an der Führungskante anliegt. Die Führungskante dient zur raschen und einfachen Ausrichtung der Einkristalle. Sie kann wieder entfernt werden, sobald die Einkristalle auf der Unterlage fi­ xiert sind. Die Einkristalle können beispielsweise auf die Un­ terlage geklebt werden und bleiben auch nach dem Entfernen der Führungskante entlang einer geraden Linie ausgerichtet. Durch präzises Einstellen des Winkels zwischen den Drähten des Draht­ gatters der Drahtsäge und dieser Linie während des Abtrennens der Halbleiterscheiben, können Halbleiterscheiben mit genau vorbestimmter Kristallorientierung erzeugt werden. Beträgt der Winkel 90°, entspricht die Kristallorientierung genau der Kri­ stallorientierung des zylinderförmigen Einkristalls. Mit einem von 90° abweichendem Winkel können Fehlorientierungen gezielt eingestellt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung eines zylinderförmigen Einkri­ stalls aus Halbleitermaterial, der ein Kristallgitter, eine Kristallachse und eine geometrische Achse aufweist, wobei die räumliche Lage der Kristallachse röntgenoptisch festge­ stellt wird, das gekennzeichnet ist durch
  • a) Herstellen eines Einkristalls mit einer Fehlorientierung des Kristallgitters von höchstens 1,5°;
  • b) Anordnen des Einkristalls in einer Weise, daß der Einkri­ stall um zwei Drehachsen gedreht werden kann, wobei die Drehachsen senkrecht zu zwei Ebenen liegen, die von zwei Achsen eines rechtwinkeligen Koordinatensystems mit den Ach­ sen x, y und z aufgespannt werden;
  • c) Drehen des Einkristalls um die Drehachsen bis die Kri­ stallachse parallel zur x,y-Ebene und parallel zur x,z-Ebene des Koordinatensystems liegt;
  • d) Anbringen von Druckstücken an den Stirnseiten des Einkri­ stalls; und
  • e) Drehen des Einkristalls um die Kristallachse, wobei der Einkristall zwischen den Druckstücken in einer Schleifma­ schine eingespannt ist, und Abschleifen einer Mantelfläche des Einkristalls bis der Einkristall einen bestimmten, ein­ heitlichen Durchmesser aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Achse als Drehachse gewählt wird, die senkrecht zur x,y- Ebene des Koordinatensystzems liegt, und eine Achse als Drehachse gewählt wird, die senkrecht zur x,z-Ebene des Ko­ ordinatensystems liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die geometrische Achse des Einkristalls als Drehachse gewählt wird und eine Achse als Drehachse gewählt wird, die senk­ recht zur x,y-Ebene des Koordinatensystems liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Einkristall derartig angeordnet wird, daß sich die Drehachsen in der Mitte L/2 des Einkristalls schneiden, wobei L die Länge des Einkristalls ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Impfkristall, dessen Kristallgitter um höchstens 1,5° fehlorientiert ist, aus einem Mutterkristall herausgetrennt wird und der Einkristall auf dem Impfkristall gezüchtet wird.
6. Verfahren zur Herstellung von Halbleiterscheiben mittels Drahtsägen, wobei zwei oder mehrere zylindrische Einkristalle gleichzeitig von einem Drahtgatter einer Drahtsäge bear­ beitet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkristalle nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 her­ gestellt werden und gleiche Durchmesser und gleiche Kristall­ orientierung haben, und beim Drahtsägen in einer Weise ne­ beneinander angeordnet sind, daß die Einkristalle mit den Mantelflächen an einer geraden Führungskante anliegen wür­ den.
7. Vorrichtung zur Herstellung eines zylinderförmigen Einkri­ stalls aus Halbleitermaterial mit möglichst geringer Fehl­ orientierung des Kristallgitters, gekennzeichnet durch
  • a) ein Röntgengoniometer zum Feststellen der räumlichen Lage einer Kristallachse des Einkristalls;
  • b) eine Dreheinrichtung, auf der der Einkristall gelagert und um zwei Drehachsen gedreht werden kann, wobei die Dreh­ achsen senkrecht zu zwei Ebenen liegen, die von zwei Achsen eines rechtwinkeligen Koordinatensystems mit den Achsen x, y und z aufgespannt werden; und
  • c) Mittel zum Anbringen von Druckstücken an den Stirnseiten des Einkristalls.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Tisch, auf dem die Dreheinrichtung linear bewegbar montiert ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, gekennzeichnet durch Mittel, die sicherstellen, daß das Röntgengoniometer in gewünschter Weise justiert ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeich­ net durch Zentrierringe, die um eine Mantelfläche des Ein­ kristalls gelegt sind.
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