KR20070121592A

KR20070121592A - 반도체 재료로 구성된 잉곳 부재의 기계적 결함을 검출하는방법 및 장치

Info

Publication number: KR20070121592A
Application number: KR1020070061291A
Authority: KR
Inventors: 루드비크 쾨스터; 페터 추라티스; 클라우스 크레머
Original assignee: 실트로닉 아게; 삼 테크 게엠베하
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2007-06-21
Publication date: 2007-12-27
Also published as: SG138524A1; US20080041159A1; KR100904693B1; JP2008003085A; US8038895B2

Abstract

본 발명의 주제는, 반도체 재료로 구성되고, 적어도 하나의 평면(6)과, 이 평면에 대해 수직으로 측정한 때에 1 cm 내지 100 cm의 두께를 갖는 잉곳 부재(1)의 기계적 결함(4)을 검출하는 방법으로서, 이러한 방법 중에, 액체 커플링 매체(3)를 매개로 잉곳 부재(1)의 평면(6)에 커플링되고 각 측정점(x, y)에서, 잉곳 부재(1)의 평면(6)으로 지향되는 적어도 하나의 초음파 펄스(8)를 발생시키는 적어도 하나의 초음파 헤드(2)에 의해 잉곳 부재(1)의 평면(6)을 주사하고, 잉곳 부재(1)로부터 나오는 초음파 펄스 에코를 시간의 함수로서 기록하여, 평면(6)으로부터의 에코(9)와, 평면(6)과 반대측에 있는 잉곳 부재(1)의 표면(7)으로부터의 에코(11)와, 가능하게는 추가의 에코(10)를 검출하며, 추가의 에코(10)로부터 잉곳 부재(1)의 기계적 결함(4)의 위치(x_p, y_p, z_p)를 측정한다.

Description

반도체 재료로 구성된 잉곳 부재의 기계적 결함을 검출하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DETECTION OF MECHANICAL DEFECTS IN AN INGOT PIECE COMPOSED OF SEMICONDUCTOR MATERIAL}

도 1은 본 발명에 따른 방법을 실행할 때에 얻어지는 측정 신호를 개략적으로 도시하고,

도 2는 본 발명에 따른 초음파 주사 현미경을 개략적으로 도시하고,

도 3은 2개의 초음파 헤드를 구비하는 본 발명에 따른 초음파 주사 현미경의 제1 실시예를 개략적으로 도시하고,

도 4는 샘플의 두 양측 평면에 각각 2개의 초음파 헤드를 구비하는 본 발명에 따른 초음파 주사 현미경의 제2 실시예를 개략적으로 도시하고,

도 5는 잉곳 부재의 쐐기각(wedge angle)과, 기준면의 위치 및 쐐기각을 측정하기 위한 파라미터를 개략적으로 도시한다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 잉곳 부재

2 : 초음파 헤드

3 : 액체 커플링 매체

4 : 기계적 결함

6, 7 : 평면

9, 10, 11 : 에코

본 발명은 반도체 재료로 구성된 잉곳 부재의 기계적 결함을 검출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

미세 전자공학에 있어서는, 반도체 재료로 구성된 웨이퍼가 미세 전자 부품의 생산을 위한 기판으로서 사용된다. 적절한 재료는 예컨대 Ⅱ/Ⅵ 화합물 반도체, Ⅲ/Ⅴ 화합물 반도체, 또는 게르마늄이나 특히 유용한 실리콘과 같은 원소 반도체이다.

반도체 웨이퍼는 먼저 단결정 반도체 잉곳을 수 cm 내지 수십 cm에 이르는 길이의 잉곳 부재로 절단함으로써 제조된다. 그 후, 이들 잉곳 부재를 두께가 약 1mm인 얇은 웨이퍼로 절단한다. 단결정 반도체 잉곳은 소위 부동-영역(FZ; float zone) 공정에 의해 도가니를 사용하지 않고 또는 쵸크랄스키 도가니-견인 방법에 의해 생성된다. 특히 쵸크랄스키 도가니-견인 방법의 경우에, 성장하는 반도체 잉곳에 가스 기포가 포집될 수 있다. 이들 기포는 반도체 잉곳에 기포의 형태로 가스-충전 캐비티를 나타내고, 약 10 ㎛ 내지 약 10 mm의 직경을 가질 수 있다. 경우에 따라서는, 반도체 잉곳을 웨이퍼로 절단할 때에 이들 가스 기포가 절단되어, 이들 기포가 반도체 웨이퍼의 표면에 보일 수 있다. 이들 웨이퍼와 같이 결함이 있는 웨이퍼는 이송 전에 격리되고, 미세 전자 부품의 생산에 사용되지 않는다.

그러나, 다른 가스 기포는 절단 공정 중에 절단되지 않아서, 결함이 외부에서 보이지 않지만, 이들 기포는 영향을 받은 반도체 웨이퍼 내에 작은 캐비티로서 잔류한다. 미세 전자 부품의 제조에 이들과 같은 반도체 웨이퍼를 사용하게 되면, 반도체 웨이퍼에 있어서 이들 결함의 위치에 따라서, 캐비티는 개별 부품의 불량을 야기하여, 부품 제조 수율을 감소시킬 수 있다.

이러한 문제를 방지하기 위하여, 종래 기술에 따르면 실리콘으로 구성된 반도체 웨이퍼에 대하여 테스트 방법을 사용하고 있는데, 이 테스트 방법을 이용하여 부품의 생산의 위해 이송되어 사용되기 전에 완전 처리된 각 개별 반도체 웨이퍼에 대하여 캐비티의 존재 여부를 검사한다. 이 방법은, 반도체 웨이퍼의 일단에 적외선을 조사하고, 반도체 웨이퍼의 타단에 전달된 적외선의 전송, 즉 강도를 측정 및 이미징하는 것을 기반으로 한다. 적외선은 반도체 재료를 통과하여 전달되고, 적외선은 캐비티의 계면에서 굴절되어, 전송 감소를 유도한다. 이 방법은 적외선이 통과할 수 있는 반도체 재료에만 사용될 수 있다.

이 방법은 표면에서의 심한 광 산란으로 인한 전송 감소를 피하기 위하여 거칠기가 거의 없는 표면에 적용된다. 이것은, 반도체 웨이퍼를 절단에 의한 잉곳 부재의 생산 직후에는 검사할 수 없고, 단지 표면을 평활하게 하는 추가의 처리 단계 이후에만, 심할 경우에는 생산 공정의 종료 시에 이들 반도체 웨이퍼를 연마한 후에만 검사할 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 반도체 웨이퍼가 격리되어 불합격 처리되기 전에, 캐비티가 있는 반도체 웨이퍼가 불필요하게 많은 수의 처리 단 계를 통과해야 한다. 그렇지만, 결함이 있는 반도체 웨이퍼의 처리와 관련한 비용을 없애기 위해서는 초기 단계에서 격리하는 것이 바람직하다.

테스트 방법는 그 자체로 비교적 많은 비용이 소요되는데, 그 이유는 각 개별 반도체 웨이퍼에 대해서 검사를 실시해야 하기 때문이다.

또한, 전술한 방법은 도펀트 함량과 관련하여 추가의 제한이 있는데, 그 이유는 도펀트 함량이 증가함에 따라 해제되는 전하 캐리어에 의해 광이 흡수되어, 전달된 광 강도가 크게 감소하기 때문이다.

종래 기술에는 초음파 테스트 방법이 또한 공지되어 있는데, 이 방법에 의하여 다양한 재료에 있는 다양한 기계적 결함을 검출한다. 현재까지, 결함의 이미징은 수 밀리미터의 가공물 두께로 제한되는데, 그 이유는 깊이가 깊어질수록 방법의 정밀도가 저하되기 때문이다.

따라서 본 발명의 목적은, 모든 타입의 반도체 재료에 적용될 수 있고 캐비티가 있는 반도체 웨이퍼를 초기에 격리시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다.

초음파에 의해 샘플을 2차원으로 주사하고, 통과하거나 반사되는 음파를 처리하여 이들로부터 이미지를 생성하는 초음파 주사 현미경은, 종래 기술, 예컨대 DE2504988A1에 공지되어 있다.

국제 특허 출원 WO 01/86281 A1은 샘플의 3차원 이미지를 생성하는 초음파 주사 현미경을 개시하고 있다. 이 경우에, 이미지는 비파괴식으로 생성되므로, 샘플의 내부 구조에 대한 정보를 얻을 수 있다.

그러나, 전술한 종래 기술은 검사 대상 샘플의 고속 데이터 기록과, 길이가 100 cm에 이르는 잉곳 부재의 측정을 위해 설계된 것은 아니다. 또한, 종래 기술에 따른 장치는 생산량이 제한된다.

따라서, 본 발명은 샘플당 측정 시간을 줄이는 동시에 확실한 검출을 가능하게 하는 음향 주사 현미경을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 첫 번째 목적은, 반도체 재료로 구성되고, 적어도 하나의 평면(6)과, 이 평면에 대해 수직으로 측정한 때에 1 cm 내지 100 cm의 두께를 갖는 잉곳 부재(1)의 기계적 결함(4)을 검출하는 방법에 의해 달성되며, 이러한 방법 중에, 액체 커플링 매체(3)를 매개로 잉곳 부재(1)의 평면(6)에 커플링되고 각 측정점(x, y)에서, 잉곳 부재(1)의 평면(6)으로 지향되는 적어도 하나의 초음파 펄스(8)를 발생시키는 적어도 하나의 초음파 헤드(2)에 의해 잉곳 부재(1)의 평면(6)을 주사하고, 잉곳 부재(1)로부터 나오는 초음파 펄스 에코를 시간의 함수로서 기록하여, 평면(6)으로부터의 에코(9)와, 평면(6)과 반대측에 있는 잉곳 부재(1)의 표면(7)으로부터의 에코(11)와, 가능하게는 추가의 에코(10)를 검출하며, 추가의 에코(10)로부터 잉곳 부재(1)의 기계적 결함(4)의 위치(x_p, y_p, z_p)를 측정한다.

본 발명의 설명에 있어서, 잉곳 부재라는 표현은 통상의 반도체 웨이퍼보다 적어도 한 방향으로 큰 치수를 갖는 반도체 재료로 구성되는 가공물을 의미한다. 잉곳 부재는 통상적으로 반도체 잉곳을 종축에 대하여 수직으로, 즉 그 외면에 대 해 수직으로 절단함으로써 제조된다. 잉곳 부재가 단결정 반도체 재료로 제조되는 경우에, 이들 잉곳 부재는 일반적으로 대략 직원기둥 형태로 있다. 반도체 재료가 단결정 실리콘인 경우에, 잉곳 부재의 직경은 일반적으로 100 mm 내지 450 mm 이다. 잉곳 부재의 길이는 1 cm 내지 100 cm 이며, 본 발명에 따른 검사 방법에 있어서는 50 cm에 이르는 길이가 바람직하다. 그러나, 특히 다결정 반도체 재료의 경우에, 잉곳 부재는 사각형 또는 정사각형 단부면을 갖는 긴 직육면체의 형태일 수도 있다.

단결정 잉곳 부재(1; 도 2 참조)는 일반적으로 2개의 평탄한 단부면(6, 7)과, 만곡된 외면(5)을 구비한다. 본 발명에 따른 방법을 실시하기 위해서는 적어도 하나의 평면(6)이 필요하다. 본 발명에 따른 방법에 있어서는, 적어도 하나의 초음파 헤드(2; 변환기로도 지칭함)에 의해 그러한 평면(6)을 주사한다. 초음파 헤드(2)는 액상 커플링 매체(3; liquid coupling medium), 바람직하게는 물을 매개로 평면(6)과 접촉한다. 초음파 헤드(2)는 적어도 하나의 초음파 펄스(8; 도 1 참조)를 발생시키고, 이 초음파 펄스는 일반적으로 압전 변환기 층에 의해 잉곳 부재의 평면(6)에 있어서 각 측정점(x, y)으로 지향된다. 이어서 초음파 헤드(2)에 의해 잉곳 부재로부터 복귀하는 에코(9, 10, 11)를 검출한다. 잉곳 부재의 평면(6) 및 반대측면[예컨대 원통형 잉곳 부재의 경우에 반대측의 제2 단부면(7)]에 의해 발생하는 에코(9, 11) 이외에, 잉곳 부재의 기계적 결함(4)으로부터 발생하는 추가의 에코(10)를 검출할 수 있다. 에코(10)의 지연 시간(t)으로부터 기계적 결함(4)과 평면(6) 사이의 z 방향 거리(zp)를 계산할 수 있다. 도 1은 지연 시간(t)의 함 수로서 나타낸 신호의 진폭(A)을 도시한다. [본질적으로 평면(6)에 평행한] x,y 평면 상에서 결함(4)의 위치(x_p, y_p)는 초음파 헤드(2)의 순간 위치로부터 측정된다. 이에 따라, 결함(4)의 공간상 위치를 분명하게 측정할 수 있다. 전체 잉곳 부재(1)에 대한 정보를 얻기 위하여, 초음파 헤드(2)에 의해 평면(6)을 주사한다. 주사 공정 중에, 적어도 하나의 초음파 헤드(2)는 바람직하게는 잉곳 부재의 외면(5)에 수직으로 있는 평면[이하의 설명에서 주사면(17)으로 지칭함; 도 5 참조] 상에서 이동한다. 이러한 측정 원리는 초음파 주사 현미경 또는 음향 주사 현미경으로서 지칭되며, 서두에 인용한 선행 기술에 공지되어 있는 것이다.

초음파 주사 현미경에 의해 검출되고 위치 확인될 수 있는 기계적 결함은 음향 전파 특징이 결함이 없는 반도체 재료와 상이한 잉곳 부재 내의 모든 영역이다. 예컨대 이들 결함은 크랙을 포함할 수 있고, 특히 전술한 캐비티를 포함할 수 있다. 본 발명의 방법은 직경이 100 ㎛ 이하, 심지어 50 ㎛ 이하인 캐비티를 검출하는데 사용될 수 있다.

50 cm에 이를 정도로 큰 두께의 재료를 검사할 수 있도록 하기 위하여, 초음파는 바람직하게는 집속되지 않거나, 또는 단지 약간만 집속된다. 이에 따라, 초음파 펄스는 바람직하게는 평면(6)으로부터 먼 거리에 있는 표면(7) 상에 집속되어야 하며, 이상적인 경우에는, 평면(6)의 반대측에 위치하는 표면(7), 즉 잉곳 부재(1)의 후단부면 상에 집속되어야 한다. 이 경우에, 약집속식(slightly focusing) 또는 비집속식 초음파 헤드(2)를 변형 A/D 전환기와 함께 사용할 수 있 다. 단지 일단에서만 잉곳 부재(1)를 검사할 경우에는, 잉곳 부재(1; 도 3 참조)의 반대측면(7)에 에코(11; 도 1 참조)가 여전히 포함되도록 에코를 기록하기 위한 시간 주기를 선택해야 한다.

확인 감도를 증대시키기 위하여, 바람직하게는 20 cm를 넘는 길이에 대해서는 잉곳 부재를 양단으로부터 검사할 수 있다. 잉곳 부재의 길이가 50 cm를 넘으면, 잉곳 부재의 전체 용적에 대한 정보를 얻기 위하여 평탄한 양 단부면에서 측정을 실시할 필요가 있다. 양 단부로부터 잉곳 부재를 측정하기 위하여, 먼저 적어도 하나의 초음파 헤드(2)에 의해 제1 평면(6)을 주사하고, 그 후 회전 장치에 의해 잉곳 부재(1)를 잉곳 부재(1)의 종축에 수직인 축선(15)을 중심으로 180도 회전시킨 후, 제2 평면(7)을 주사한다(도 3 참조). 다른 방법으로는, 2개의 대향 초음파 헤드(2)를 사용하여 주사하거나, 두 대향 구조의 복수의 초음파 헤드(2)를 사용하여 주사하는 방법이 있다. 이 경우에, 잉곳 부재는 회전하지 않는다(도 4 참조).

반도체 재료가 단결정 실리콘인 경우에, 초음파의 전파 속도는 약 85 m/s이다. 사운드 에코(sound echo)의 기록에 필요한 지속 시간은 검사 대상 잉곳 부재의 길이로부터 결정된다. 예로서, 길이 20 cm의 잉곳 부재를 일단으로부터 측정하거나 길이 40 cm의 잉곳 부재를 양단으로부터 측정하는 경우에, 잉곳 부재의 전체 길이에 대한 정보를 얻고 에코 지연 시간으로부터 잉곳 부재의 z 방향에 있어서의 캐비티의 위치(zp)를 측정하기 위해서는 적어도 10 ns, 바람직하게는 적어도 1 ns의 시간 분해능으로 약 100 ㎲의 기록 지속 시간이 필요하다. 바람직하게는, 검출 된 사운드 에코의 평가를 위하여 잉곳 부재의 표면에 의해 발생하는 이들 신호(9, 11; 도 1 참조)를 배제하기 위하여 적절한 평가 윈도우(evaluation window)가 정의되어 있다. 평가된 사운드 에코와 그에 따른 잉곳 부재의 검사된 용적은 제한된 시간의 평가 윈도우에 의해 z 방향으로 n개의 세그먼트로 세분되며, 이들 세그먼트에는 신호 대 잡음 비율을 향상시키기 위하여 사운드 신호가 합체될 수 있다. 이에 따라, 선택된 윈도우 길이와 n의 곱은 잉곳 부재의 전체 초음파 검사 용적을 나타낸다.

평면(6)이 잉곳 부재의 외면(5)에 수직인 것이 확실하지 않은 경우에는, 결정축의 불확실성과 소잉 공정(sawing process)에 의해 야기되는 잉곳 부재의 쐐기각을 결정하기 위하여 도 5에 도시된 바와 같이 표면 신호(9, 11; 도 1 참조)를 평가하는 것이 바람직하다. 이러한 쐐기각 때문에, 이하에 상세하게 설명하는 바와 같은 측정 공정을 위한 기준면(16)으로서 단부면(6, 7) 중 하나를 이용하는 것이 절대 불가능한데, 그 이유는 잉곳 부재로부터 추후에 제조되는 반도체 웨이퍼의 그러한 측정 공정이 기계적 결함에 의해 영향을 받기 때문이다. 이에 따라, 외면(5)에 수직으로 위치하고 단부면(6)에 가장 인접하지만 단부면과 더 이상 교차하지 않는 그 평면을 기준면(16)으로서 정의한다. 초음파 헤드의 주사면(17)을 잉곳 부재(1)의 외면(5)에 수직으로 선택하는 경우에, 잉곳 부재(1)의 직경(d)에 대한 쐐기각(α)은, 초음파 헤드에 마주하는 잉곳 부재(1)의 그 평면(6)으로부터 에코의 가장 긴 지연 시간과 가장 짧은 지연 시간 사이의 차이인 지연 시간으로부터 tan(α) = (z_max - z_min)/d의 관계식을 이용하여 용이하게 결정 수 있다. 주사면(17)과 평면(6) 사이의 최대 거리(z_max)는 가장 긴 지연 시간으로부터 결정되고, 최소 거리(z_min)는 가장 짧은 지연 시간으로부터 결정된다.

주사면이 잉곳 부재의 외면에 수직으로 되는 것을 보장하기 위하여, 잉곳 부재는 측정 개시 전에 정렬된다. 이러한 정렬은, 예컨대 잉곳 부재의 외면이 배치되는, 홈통(trough) 형태로 적절하게 조정된 함몰부에 의해 실현될 수 있는데, 이 함몰부는 잉곳 부재를 정확하게 정렬시킨다.

쐐기각을 알고 있으면, 위치(x_p, y_p)에서 검출된 기계적 결함(4)과 기준면(16) 사이의 거리(zp)를 다음의 관계식으로부터 용이하게 결정할 수 있다.

z₁ = tan(α)ㆍ(d - x_p)

z₀ = z_max - z₁

z_p = z_tot - z₁

이 경우에, z₁은 평면(6)과 기준면(16) 사이의 거리를 나타내고, z₀는 주사면(17) 상의 점(x, y)에 위치하는 초음파 헤드와 평면(6) 사이의 거리를 나타내고, z_tot는 검출된 결함(4)과 평면(6) 사이의 거리를 나타낸다. 이들 모든 거리는 외면에 평행하게 측정한 것이다.

표면에 인접한 비교적 얇은 층의 검사에만 적절한 초음파 주사 현미경이 기 초로 하고 있는 이전의 경험과는 달리, 본 발명의 방법은 두께가 25 cm, 심지어 50 cm에 이르는 재료를 검사하기 위하여, 특히 단결정 반도체 재료의 경우에도 사용할 수 있는 것으로 확인되었다. 이는 고품질 및 반도체 단결정에 결함이 없다는 것으로 설명되는데, 이로 인하여 사운드는 긴 거리에 걸쳐 바람직한 방향으로 장애 없는 탄도형으로 전파된다. 따라서, 심지어 깊은 깊이에서도 개별 기계적 결함의 위치가 매우 잘 확인될 수 있다. 이 경우에, 잉곳 부재의 특징, 예컨대 직경, 결정 방위 또는 도핑과 관련한 추가의 제한은 없다.

본 발명이 기초로 하는 두 번째 목적을 또한 달성하는 장치를 사용하여 본 발명에 따른 방법을 실행할 수 있다.

본 발명의 장치는, x,y 평면에 놓이는 적어도 하나의 평면(6)을 갖는 검사 대상의 잉곳 부재(1)용 유지 장치와, 초음파 신호의 발생 및 검출을 위한 적어도 2개의 초음파 헤드(2)와, 이들 적어도 2개의 초음파 헤드가 x,y 방향으로 이동할 수 없도록 장착되어 있는 제1 장착 장치와, 초음파 헤드(2)를 x,y 평면에 수직으로 z 방향으로 유지 장치에 대하여 상대 이동시킬 수 있는 조정 장치와, 상기 장착 장치와 유지 장치를 x,y 방향으로 서로에 대해 상대 이동시킬 수 있는 이동 장치와, 이 이동 장치와 조정 장치의 제어를 위한 제어 유닛(12)과, 초음파 헤드(2)에 의해 검출된 초음파 신호를 처리하기 위한 평가 유닛을 구비하는 초음파 주사 현미경이다.

잉곳 부재 상의 복수의 상이한 x,y 위치를 동시에 검사하기 때문에 이와 같은 장치를 사용하는 것이 유리하며, 각각의 경우에 하나의 초음파 헤드로부터의 음향 신호에 의해 다양한 위치가 초음파 검사되고, 이들 신호의 에코 각각은 각각의 초음파 헤드에 의해 검출된다. 이로 인하여, 측정 시간을 현저하게 줄일 수 있다.

이하의 설명에서는 도 2를 참고로 하여 본 발명에 따른 초음파 주사 현미경을 기술하기로 한다.

초음파 주사 현미경은, 본질적으로 x,y 평면에 놓이는 적어도 하나의 평면(6)을 갖는 검사 대상의 잉곳 부재(1)용의 유지 장치를 구비한다.

본 발명의 현미경은 초음파의 발생 및 검출을 위하여 적어도 2개의 초음파 헤드(2)를 구비하는 점에서 종래 기술과 상이하다. 3개 이상, 예컨대 4개의 초음파를 사용하는 것도 또한 가능하다. 하나의 초음파 헤드는 바람직하게는 소위 주 변환기(master transducer)인 것이 바람직하고, 그 외의 모든 초음파 헤드는 종 변환기(slave transducer)이다. 초음파 헤드에는 고주파 발생기(14)로부터 바람직하게는 고주파 AC 전압이 공급되고, 이 전압은 압전 변환기 층에 의해 초음파 펄스 형태의 음향 신호로 전환된다. 그 후, 상이한 깊이에서 잉곳 부재(1)의 소자로부터 반사되는 에코는 각 초음파 헤드(2)의 압전 변환기 층에 의해 검출되고, 전기 신호로 전환된다. 이 신호는 바람직하게는 A/D 전환기에 의해 디지털로 변환되어 평가 유닛으로 전송되고, 평가 유닛은 이 신호를 x,y 평면 상의 순간 검사 위치의 함수로서 기록한다. 초음파 주파수는 바람직하게는 5 내지 25 MHz의 범위로 있다. 또한, 25 MHz에 이르는 초음파 헤드를 위하여 수 백 MHz의 리-인터페이스를 사용할 수도 있다.

상기 적어도 2개의 초음파 헤드(2)는 제1 장착 장치에 장착되어 있으므로, 이들 초음파 헤드는 x,y 방향으로 이동할 수 없다.

모든 초음파 헤드(2)에 조인트 조정 장치를 제공하는 것이 가능하다. 이 경우에, 모든 초음파 헤드를 z 방향으로 공동으로 조정하는 것이 가능하다. 그러나, 각각의 초음파 헤드(2)에, 초음파 헤드(2)를 다른 초음파 헤드(2)와는 독립적으로 x,y 평면에 수직으로 z 방향으로 장착 장치에 대해 상대 이동시킬 수 있는 전용 조정 장치가 제공되는 것이 바람직하다. 그 후, 각 초음파 헤드는 최대 신호 강도[예컨대, 후방 평면(7)으로부터의 에코의 최대 신호 강도]를 검출하도록 z 방향으로 독립적으로 조정될 수 있다. 각 조정 장치는 독립적인 모터 구동장치를 구비하는 것이 바람직하다. 조정 장치는 x,y 주사 장치를 또한 포함하며, 이 주사 장치는 2 이상의 초음파 헤드를 초점에 동시에 유지할 수 있어서, 이들 초음파 헤드를 초점 위치에서 서로 독립적으로 개방 루프 및 폐쇄 루프로 제어할 수 있다(본 발명 이전에 공개되지 않은 독일 특허 출원 번호 1020060054482 참조).

잉곳 부재의 평면(6)을 주사할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명에 따른 초음파 주사 현미경은 잉곳 부재용 유지 장치 및 장착 장치를 서로에 대해 x,y 방향으로 이동시킬 수 있는 이동 장치를 구비한다. 이 경우에, 잉곳 부재의 평면(6)은 측정점마다, 그리고 한 줄씩 주사되므로, 잉곳 부재의 전체 평면이 커버된다.

또한, 이동 장치 및 조정 장치의 제어를 위한 제어 유닛과, 초음파 헤드가 검출한 초음파 신호의 처리를 위한 평가 유닛이 제공된다. 제어 유닛과 평가 유닛은 하나의 유닛으로, 예컨대 모니터(13)와 함께 컴퓨터(12)에 조합될 수 있다. 2개 이상의 초음파 헤드에 의해 검출된 에코는 바람직하게는 동시에 처리되고 기록되며, 검출된 신호는 x,y 평면 상의 순간적인 검사 위치의 함수로서 기록되고, 이 로부터 기계적 결함의 위치(x_p, y_p, z_p)가 결정된다. 이미지 디스플레이용의 데이터 아이템은 동시에 생성되는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 변형된 초음파 주사 현미경은 20 cm를 넘는 길이를 갖는 잉곳 부재(1)의 검사에 사용되며, 제1 장착 장치와 유사하게 적어도 2개의 추가의 초음파 헤드(2)가 장착되는 제2 장착 장치를 구비한다. 제2 장착 장치는, 도 4에 도시된 바와 같이, 장착되어 있는 초음파 헤드(2)가 잉곳 부재(1)의 제2 평면(7)을 검사할 수 있도록 배치되어 있다.

반도체 재료의 성질에 따라서, 본 발명에 따른 장치는 직경이 450 mm에 이르고 (양단으로부터 검사를 실시하는 경우에) 길이가 40 cm에 이르거나, (일단으로부터 검사를 실시하는 경우에) 직경이 20 cm에 이르는 잉곳 부재, 심지어 길이가 각각 50 cm 또는 25 cm, 또는 각각 100 cm 또는 50 cm에 이르는 잉곳 부재를 검사하는 데 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 방법과 본 발명에 따른 장치는 기계적 결함, 예컨대 캐비티에 의해 영향을 받은 반도체 웨이퍼를, 모든 반도체 웨이퍼를 개별적으로 검사할 필요 없이, 그리고 결함에 의해 영향을 받은 이들 반도체 웨이퍼를 추가의 (불필요한) 처리 단계를 거치지 않고 생산 공정의 초기 단계에서 격리시킬 수 있다. 그 결과, 시간 및 비용에 있어서 상당한 이점이 발생한다.

따라서 본 발명은 또한 다수의 반도체 웨이퍼를 생산하는 방법에 관한 것으로, 이하의 단계를 기술 순서대로 포함한다.

a) 반도체 잉곳을 생산하는 단계,

b) 반도체 잉곳을 길이 1 cm 내지 100 cm의 잉곳 부재로 절단하는 단계,

d) 각 잉곳 부재에 있어서의 기계적 결함의 위치를 측정하는 단계로서, 각 기계적 결함의 위치는 단계 f)에서 형성되는 절결부에 평행한 평면 상의 좌표 x_p, y_p와, 이 평면에 수직인 좌표 z_p에 의해 특유하게 정해지는 것인 단계,

f) 잉곳 부재를 두께 0.2 내지 2 mm의 다수의 반도체 웨이퍼로 절단하는 단계,

h) 기계적 결함이 발견된 위치를 갖는 반도체 웨이퍼를 격리시키는 단계.

다수의 반도체 웨이퍼를 생산하기 위한 본 발명에 따른 방법의 개별 단계를 이하에서 상세하게 설명하기로 한다.

먼저, 단계 a)에서 반도체 잉곳을 생산한다. 반도체 잉곳은 바람직하게는 단결정이다. 반도체 잉곳은 바람직하게는 실리콘, 특히 단결정 실리콘으로 구성된다. 이 경우에, 반도체 잉곳은 일반적으로 약 100 내지 450 mm의 직경을 갖는다. 반도체 잉곳은, 예컨대 부동 영역 공정(float zone process) 또는 쵸크랄스키 도가니-견인 공정(Czochralski crusible pulling process)에 의해 생산된다. 쵸크랄스키법에 생산된 단결정 반도체 잉곳을 사용할 때에 전술한 캐비티가 발생하기 때문에, 본 발명에 따른 방법을 이들과 같은 반도체 잉곳에 적용하는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명에 따른 방법을 예컨대 태양 전지의 제조에 사용되는 다결정 반도체 잉곳(블록으로도 지칭함)을 주조하는 데에 적용할 수도 있다.

단계 b)에서 반도체 잉곳을 길이 1 cm 내지 100 cm, 바람직하게는 50 cm의 잉곳 부재로 절단한다. 절단은 일반적으로 띠톱 또는 내경 톱(internal-diameter saw)을 이용하여 실시된다. 반도체 잉곳은 일반적으로 그것의 종축에 대해 수직으로 잉곳 부재로 절단된다. 둥근 횡단면을 갖는 반도체 잉곳의 경우에, 이것은 잉곳 부재가 본질적으로 직원기둥의 형태로 있는 것을 의미한다. 그러나, 견인 공정의 결과로, 잉곳 부재는 특정의 불규칙성을 갖는다.

일반적으로, 단계 b) 이후에, 잉곳 부재가 정확하게 원통형 형상을 갖도록 대략 원통형의 잉곳 부재의 외면을 연마하는 선택적인 단계 c)를 실시한다. 또한, 잉곳 부재의 외면에 방위용 노치(orientation notch) 또는 방위용 플랫(orientation flat)과 같은 방위 특징이 발생할 수 있다. 이 단계를 단계 d) 이후에 실시할 수도 있지만, 단계 d) 이전에 실시하는 것이 바람직하다.

단계 d)에서 각 잉곳 부재의 기계적 결함의 위치를 측정한다. 이는 전술한 바와 같은 초음파 주사 현미경을 이용하여 실시하는 것이 바람직하다.

대안으로, 잉곳 부재의 일단에 적외선을 조사하고, 잉곳 부재의 타단에서의 전달을 측정함으로써 기계적 결함, 특히 캐비티의 위치를 결정할 수도 있다. 광선이 과도하게 긴 거리를 통과하는 것을 방지하기 위하여, 이러한 측정을 잉곳 부재의 외면에서 실시하는 것이 바람직하다. 과도한 거칠기는 이러한 측정을 방해하기 때문에, 미세 연마, 에칭, 폴리싱 또는 이들 공정의 적절한 조합을 이용하여 측정 전에 잉곳 부재의 관련 면을 평활하게 하는 것이 바람직하다. 관련 면의 거칠기는 Ra = 0.2 ㎛을 초과하지 않는 것이 바람직하다. 이러한 방법에 있어서, 적절한 대 물렌즈를 구비하는 적외선에 민감한 카메라를 이용하여 잉곳 부재의 내부 이미지를 생성한다. 내부의 가스 엔클로저(enclosure) 또는 결함은 입사광의 굴절 또는 흡수를 야기한다. 결함의 깊이는 집속 이미지를 발생시키는 대물렌즈 세팅에 의해 측정된다.

표면을 추가로 평활하게 하는 데에는 적외선 전송법을 사용할 필요가 있기 때문에, 단계 d)에서 초음파 주사 현미경을 사용하는 것이 바람직하다.

단계 f)에서, 가능하게는 추가의 잉곳 부재와 함께 잉곳 부재를 종래 기술에대응하는 방식으로 두께 0.2 내지 2 mm의 반도체 웨이퍼로 절단한다. 이는 종래 기술에 따른 MWS(multi wire saw)에 의해 실시하는 것이 바람직하다. 잉곳 부재를 이들의 외면에 대해 수직으로 반도체 웨이퍼로 절단하는 것이 바람직하다. 그 후, 반도체 웨이퍼를 일반적으로 세정 및 분리하는데, 즉 MWS 공정 후에 팩(pack)의 형태로 있는 반도체 웨이퍼를 분리하고, 매거진 또는 카세트의 격실에 배치한다.

그 후 단계 h)에서, 단계 d)에서 캐비티가 발견된 위치를 포함하는 반도체 웨이퍼를 격리시키고, 일반적인 불합격 처리를 한다. 이는 로봇에 의해 자동으로 또는 수동을 실시될 수 있다.

이들 반도체 웨이퍼를 보다 용이하게 격리시키기 위하여, 단계 d)와 f) 사이의 추가의 단계 d)에서 예컨대 함몰부를 밀링, 연마, 드릴링함으로써 각 기계적 결함의 위치의 z 좌표를 잉곳 부재 상에 표시한다. 외면에 대해 수직으로 반도체 웨이퍼로 절단되도록 되어 있는 잉곳 부재의 경우에, 단계 d)에서 결정된 좌표 zp에서 외면에 마킹이 표시된다. 마지막으로, 단계 h)에서, 외주에 마킹이 표시된 이 들 반도체 웨이퍼 모두를 격리시킨다. 이는 마킹을 육안으로 식별하여 예컨대 수동으로 실시될 수 있다. 외면에 표시된 마킹이 기계적 결함의 위치(zp)와 얼마나 정확하게 일치하는가에 따라서, 그리고 절단된 반도체 웨이퍼의 두께 및 단계 f)의 절단 공정의 정밀도에 따라서, 마킹을 갖는 웨이퍼, 또는 그 외의 각각의 인접 웨이퍼를 격리시키는 것만이 요구된다.

마킹을 표시하는 것에 대한 대안으로서, 기계적 결함의 위치(zp)와, 단계 f)에서 형성된 절결부의 위치로부터 적어도 하나의 기계적 결함을 갖는 반도체 웨이퍼(또는 이들 웨이퍼의 수)를 단계 e)에서 결정할 수 있다. 이들 반도체 웨이퍼는 궁극적으로 단계 h)에서 로봇에 의해 자동으로 또는 수동으로 격리될 수 있다. 반도체 웨이퍼 제작의 자동화 수준이 충분히 높으면, 예컨대 재료 트래킹 시스템이 관련 웨이퍼 수를 결정할 수 있다. 재료 트래킹 시스템은, 예컨대 완전한 제1 반도체 웨이퍼와 일치하는 기준면의 위치와, (절단된 반도체 웨이퍼의 두께와 절단 공정에서 초래된 재료의 손실의 합에 대응하는) 절결부의 피치의 합을 이용하여 영향을 받은 반도체 웨이퍼의 수를 결정할 수 있다. 이러한 대안의 경우에도, 기계적 결함을 갖는 모든 반도체 웨이퍼를 확실하게 제거하기 위하여, 인접 반도체 웨이퍼를 격리시키는 것이 필요할 수 있다.

불필요하게 많은 수의 반도체 웨이퍼를 격리시키는 것을 방지하기 위하여, 마킹 또는 계산된 웨이퍼 수, 그리고 소정 개수의 인접 반도체 웨이퍼를 기초로 하여 적어도 하나의 기계적 결함을 갖는 반도체 웨이퍼에 대하여, 종래 기술에 따른 추가의 단계 g)에서 예컨대 기계적 결함을 개별적으로 검사할 수 있다. 이는, 예 컨대 초음파 주사 현미경, 적외선 전송 측정 또는 X선 흡수 측정에 의해 실시할 수 있다. 예로서, 표시되거나 계산된 반도체 웨이퍼와 이들에 가장 근접한 반도체 웨이퍼를 검사한다. 마지막으로, 단계 h)에서 격리된 반도체 웨이퍼만이 단계 g)에서 기계적 결함이 실제로 발견된 반도체 웨이퍼이다. 단계 g)에서 개별적으로 검사된 다른 모든 반도체 웨이퍼는 카세트 또는 매거진으로 피드백되고, 추가로 처리된다. 이로 인하여, 한편으로 각 개별 반도체 웨이퍼에 대한 시간 소모적이고 비용이 많이 드는 검사를 피할 수 있고, 결함이 없는 반도체 웨이퍼를 불필요하게 격리시키는 것을 방지할 수 있다.

결함 비율이 낮은 때에 캐비티 또는 다른 기계적 결함을 갖는 반도체 웨이퍼의 이송을 효율적으로 방지하기 위해서는, 반도체 웨이퍼에 대해서만 검사를 실시할 때에 원칙적으로 모든 반도체 웨이퍼를 100% 검사할 필요가 있다. 이미 결정된 위치 둘레의 소수의 웨이퍼만을 후속해서 측정하는 개별 반도체 웨이퍼의 검사와, 기계적 결함의 위치를 미리 결정한 잉곳 부재의 검사를 본 발명에 따라 조합함으로써, 최소의 측정 노력으로, 모든 이송된 반도체 웨이퍼에 결함이 없는 것을 보장하고, 반도체 웨이퍼 수율을 최대화할 수 있다. 단계 d)에서 기계적 결함이 발견된 때에만 단계 g)에서 개별 반도체 웨이퍼를 후속해서 측정할 필요가 있다. 개별 반도체 웨이퍼에 대한 측정 노력은 잉곳 부재의 불량률이 떨어지는 방식으로 감소한다.

전술한 방법 중에서, 기계적 결함의 빈도, 반도체 웨이퍼의 생산, 검사 및 격리에 소요되는 비용, 그리고 자동화 및 재료 트래킹 비용에 따라 격리에 바람직 한 방법을 선택한다.

본 발명에 따르면, 모든 타입의 반도체 재료에 적용될 수 있고 캐비티 등의 기계적 결함이 있는 반도체 웨이퍼를 초기에 격리시킬 수 있는 방법 및 장치를 제공할 수 있다.

Claims

반도체 재료로 구성되고, 적어도 하나의 평면(6)과, 이 평면에 대해 수직으로 측정한 때에 1 cm 내지 100 cm의 두께를 갖는 잉곳 부재(1)의 기계적 결함(4)을 검출하는 방법으로서,

방법 중에, 액체 커플링 매체(3)를 매개로 잉곳 부재(1)의 평면(6)에 커플링되고 각 측정점(x, y)에서, 잉곳 부재(1)의 평면(6)으로 지향되는 적어도 하나의 초음파 펄스(8)를 발생시키는 적어도 하나의 초음파 헤드(2)에 의해 잉곳 부재(1)의 평면(6)을 주사하고, 잉곳 부재(1)로부터 나오는 초음파 펄스 에코를 시간의 함수로서 기록하여, 평면(6)으로부터의 에코(9)와, 평면(6)과 반대측에 있는 잉곳 부재(1)의 표면(7)으로부터의 에코(11)와, 가능하게는 추가의 에코(10)를 검출하며, 추가의 에코(10)로부터 잉곳 부재(1)의 기계적 결함(4)의 위치(x_p, y_p, z_p)를 측정하는 것인 잉곳 부재의 기계적 결함을 검출하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 평면(6)에 수직으로 측정한 두께는 1 cm 내지 50 cm인 것인 잉곳 부재의 기계적 결함을 검출하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 잉곳 부재(1)는 단결정 반도체 재료로 구성되는 것인 잉곳 부재의 기계적 결함을 검출하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서, 기계적 결함(4)의 위치(z_p)를 잉곳 부재(1)의 외면(5)에 수직인 기준면(16)에 대하여 z 방향으로 측정하고, 상기 기준면은 잉곳 부재(1)의 쐐기각(wedge angle)과 독립적이고, 기준면의 위치는 평면(6)과 주사면(17) 사이의 최대 거리(z_max)에 의해 정의되고, 이 주사면은 마찬가지로 외면(5)에 수직이고, 적어도 하나의 초음파 헤드(2)가 위치되어 있는 것인 잉곳 부재의 기계적 결함을 검출하는 방법.
a) 반도체 잉곳을 생산하는 단계와,

b) 반도체 잉곳을 길이 1 cm 내지 100 cm의 잉곳 부재로 절단하는 단계와,

d) 각 잉곳 부재에 있어서의 기계적 결함의 위치를 측정하는 단계로서, 각 기계적 결함의 위치는 단계 f)에서 형성되는 절결부에 평행한 평면 상의 좌표 x_p, y_p와, 이 평면에 수직인 좌표 z_p에 의해 특유하게 정해지는 것인 단계와,

f) 잉곳 부재를 두께 0.2 내지 2 mm의 다수의 반도체 웨이퍼로 절단하는 단계와,

h) 기계적 결함이 발견된 위치를 갖는 반도체 웨이퍼를 격리시키는 단계

를 언급한 순서대로 포함하는 다수의 반도체 웨이퍼 제조 방법.
제5항에 있어서, 상기 반도체 잉곳은 단결정 반도체 재료로 구성되는 것인 다수의 반도체 웨이퍼 제조 방법.
제6항에 있어서, 단결정 반도체 재료로 구성된 반도체 잉곳을 단계 a)에서 쵸크랄스키 도가니-견인(Czochralski crucible pulling)에 의해 생산하는 것인 다수의 반도체 웨이퍼 제조 방법.
제5항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 단계 b)에서 제조된 잉곳 부재의 길이는 1 cm 내지 50 cm인 것인 다수의 반도체 웨이퍼 제조 방법.
제5항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 단계 b)에서 제조된 잉곳 부재는 본질적으로 직원기둥의 형태이고, 단계 b) 후에, 잉곳 부재의 외면을 추가의 단계 c)에서 연마하는 것인 다수의 반도체 웨이퍼 제조 방법.
제5항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 청구항 1에 기재한 방법에 의해 단계 d)에서 각 잉곳 부재의 기계적 결함의 위치를 결정하는 것인 다수의 반도체 웨이퍼 제조 방법.
제5항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 있어서, 잉곳 부재의 일단을 적외선으로 조사(照射)하고, 잉곳 부재의 타단에서 전송된 적외선의 강도를 측정함으로써 단계 d)에서 각 잉곳 부재의 기계적 결함의 위치를 결정하는 것인 다수의 반도체 웨이퍼 제조 방법.
제5항 내지 제11항 중 어느 하나의 항에 있어서, 잉곳 부재의 각 기계적 결함의 위치의 z 좌표를 단계 d)와 f) 사이의 추가의 단계 e)에서 마킹하고, 단계 f) 후에 마킹이 있는 반도체 웨이퍼를 단계 h)에서 격리시키는 것인 다수의 반도체 웨이퍼 제조 방법.
제5항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서, 단계 d) 후에, 기계적 결함의 위치의 z 좌표와 단계 f)에서 마련된 절결부(cut)의 위치로부터 추가의 단계 e)에서 적어도 하나의 기계적 결함이 있는 반도체 웨이퍼를 결정하고, 이들 반도체 웨이퍼를 단계 h)에서 격리시키는 것인 다수의 반도체 웨이퍼 제조 방법.
제5항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서, 단계 d) 후에, 기계적 결함의 위치의 z 좌표와 단계 f)에서 마련된 절결부의 위치로부터 추가의 단계 e)에서 적어도 하나의 기계적 결함이 있는 반도체 웨이퍼를 결정하고, 추가의 단계 g)에서 이들 반도체 웨이퍼뿐 아니라 소정 개수의 인접 웨이퍼에 대하여 개별적으로 기계적 결함을 검사하고, 단계 h)에서는, 단계 g)에서 기계적 결함이 발견된 모든 반도체 웨이퍼를 격리시키는 것인 다수의 반도체 웨이퍼 제조 방법.
x,y 평면에 놓이는 적어도 하나의 평면(6)을 갖는 검사 대상의 잉곳 부재(1) 용 유지 장치와,

초음파 신호의 발생 및 검출을 위한 적어도 2개의 초음파 헤드(2)와,

이들 적어도 2개의 초음파 헤드가 x,y 방향으로 이동할 수 없도록 장착되어 있는 제1 장착 장치와,

초음파 헤드(2)를 x,y 평면에 수직으로 z 방향으로 유지 장치에 대하여 상대 이동시킬 수 있는 조정 장치와,

상기 장착 장치와 유지 장치를 x,y 방향으로 서로에 대해 상대 이동시킬 수 있는 이동 장치와,

이 이동 장치와 조정 장치의 제어를 위한 제어 유닛(12)과,

초음파 헤드(2)에 의해 검출된 초음파 신호를 처리하기 위한 평가 유닛

을 포함하는 초음파 주사 현미경.
제15항에 있어서, 각 초음파 헤드(2)를 다른 초음파 헤드(2)와는 독립적으로 x,y 평면에 수직으로 z 방향으로 장착 장치에 대해 상대 이동시킬 수 있는 조정 장치를 더 포함하는 초음파 주사 현미경.
제15항 또는 제16항에 있어서, 제1 장착 장치와 유사하게, 적어도 2개의 추가의 초음파 헤드(2)가 장착되어 있는 제2 장착 장치를 더 포함하며, 이 제2 장착 장치는, 잉곳 부재(1)가 초음파 헤드(2)에 의하여 2개의 장착 장치 사이에 배치될 수 있고, 제1 장착 장치에 장착되어 있는 초음파 헤드(2)에 의해 제1 평면(6)을 통 하여, 그리고 제2 장착 장치에 장착되어 있는 초음파 헤드(2)에 의해 제1 평면(6)에 평행하게 놓이는 제2 평면(7)을 통하여 잉곳 부재(1)를 검사할 수 있도록 배치되어 있는 것인 초음파 주사 현미경.
제15항 내지 제17항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 초음파 헤드(2)는 약집속식 또는 비집속식 초음파 헤드인 것인 초음파 주사 현미경.
제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 초음파 펄스(8)는 집속되지 않거나 약간만 집속(slightly focused)되는 것인 잉곳 부재의 기계적 결함을 검출하는 방법.