KR20100040891A - 실리콘 웨이퍼 내에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 장치, 그 방법, 실리콘 웨이퍼의 제조 방법, 및 박막 진동자 - Google Patents

실리콘 웨이퍼 내에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 장치, 그 방법, 실리콘 웨이퍼의 제조 방법, 및 박막 진동자 Download PDF

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Abstract

효율적으로 실리콘 웨이퍼 내에 존재하는 원자 공공의 정량 평가를 행할 수 있는 원자 공공의 정량 평가 장치 및 정량 평가 방법을 제공한다. 정량 평가 장치(1)는, 초음파 발진부(27)와 초음파 수신부(28)를 갖는 검출 수단(50)과, 완전 결정 실리콘으로 구성된 실리콘 웨이퍼(26)에 상기 초음파 발진부(27)와 상기 초음파 수신부(28)를 형성한 실리콘 시료(6)와, 상기 실리콘 시료(6)에 대하여 외부 자장을 인가하는 자력 발생 수단(4)과, 상기 실리콘 시료(6)를 50K 이하의 온도 영역으로 냉각·제어 가능한 냉각 수단(3)을 구비한다. 상기 초음파 발진부(27)와 초음파 수신부(28)는, 상기 온도 영역에서 온도 강하에 따른 실리콘 웨이퍼(26)의 팽창에 추종할 수 있는 물성을 가지며, 전장을 인가한 채 온도를 내리면 분자축이 전장 방향으로 배향되는 고분자 재료로 형성한 박막 진동자(31)와, 상기 박막 진동자(31)에 전장을 인가하는 전극(32, 33)을 갖는 트랜스듀서(30)를 구비한다.

Description

실리콘 웨이퍼 내에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 장치, 그 방법, 실리콘 웨이퍼의 제조 방법, 및 박막 진동자{QUANTITATIVE EVALUATION DEVICE OF ATOMIC VACANCIES EXISTING IN SILICON WAFER, METHOD FOR THE DEVICE, SILICON WAFER MANUFACTURING METHOD, AND THIN-FILM OSCILLATOR}
본 발명은, 반도체 산업에서 이용되는 초크랄스키법(CZ법)이나 플로팅 존법(FZ법)으로 제조되는 실리콘 결정의 웨이퍼 내의 원자 공공(空孔)의 종류 및 원자 공공의 농도를 직접적이면서도 정량적으로 평가할 수 있는, 실리콘 웨이퍼 내에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근, DRAM이나 플래쉬 메모리로 대표되는 반도체 소자(LSI:Large Scale Integration)는, 통신 기기 등의 고도화에 따라 다기능화, 고품질화가 진행되는 동시에, 휴대전화나 휴대 음악 플레이어 등의 보급에 의해 수요가 급속히 증가(2년 동안 2배)하고 있다. 이에 대응하여 반도체 소자의 재료인 실리콘 웨이퍼의 수요도 급속히 증가하고 있으며, 앞으로도 증가할 것이라 예상되는 수요에 대응하기 위해서 고품질의 실리콘 웨이퍼를 효율적으로 생산할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 참고로, 반도체 산업에 있어서, 실리콘 웨이퍼는, 일반적으로 초크랄스키법(CZ법)이나 플로팅 존법(FZ법)으로 제조된다. 이들 방법으로 형성된 실리콘 웨이퍼에는 일정한 비율로 격자 결함이 포함된다. 이 격자 결함은, 주로 격자 내의 원자 1개 정도로 존재하는 원자 공공과 격자간 원자로 이루어지는 점 결함이다. 이들 점 결함이 집합체를 형성하면, 실리콘 웨이퍼의 성질에 영향을 미치게 된다. 따라서, 상기한 바와 같은 통신 기기 등에 이용되는 소위 하이엔드 디바이스에는, 어닐 웨이퍼, 에피택셜 웨이퍼 및 완전 결정 실리콘 웨이퍼가 사용되고 있다.
그런데, 어닐 웨이퍼는, 표면층의 결함을 제거하기 위하여 기판 웨이퍼에 어닐 처리를 실시하는 것이다. 또한, 에피택셜 웨이퍼는, 웨이퍼 상에 불순물 농도와 두께를 정밀하게 제어한 에피택셜층을 형성하는 것이다. 즉, 어닐 웨이퍼 및 에피택셜 웨이퍼에서는, 모두 실리콘 잉곳으로부터 잘라낸 실리콘 웨이퍼에 대하여 ２차 가공을 할 필요가 있으므로, 생산 공수가 증가하게 되어 효율적으로 실리콘 웨이퍼를 생산하기가 곤란하다. 또한, 어닐 웨이퍼 및 에피택셜 웨이퍼에서는, 대구경의 웨이퍼 상에, 상기한 ２차 가공을 실시하는 것이 곤란하다는 문제도 있다.
이러한 이유로, 최근에는 격자간 원자를 제거하여 원자 공공만으로 한 완전결정 실리콘 웨이퍼가 유망시되고 있다. 단, 이 완전 결정 실리콘 웨이퍼에 있어서도, 수율을 향상하기 위해서는 결정 잉곳 내에서의 원자 공공 리치 부분의 영역과, 격자간 원자 리치 부분의 영역을 판정할 필요가 있다. 또한, 하나의 원자 공공 리치 부분의 영역 중에서도, 원자 공공 농도의 분포를 사전에 평가할 필요가 있다.
따라서, 점 결함을 제어한 CZ 실리콘 결정 잉곳의 성장 기술의 개발에는 초음파 계측에 의한 원자 공공 농도의 정량 평가가 필요하다. 상기 CZ 실리콘 결정 잉곳을 슬라이스하여 제조되는 완전 결정 실리콘 웨이퍼 중의 원자 공공의 존재 농도를 초음파 계측에 의해 미리 평가함으로써, 완전 결정 실리콘 웨이퍼를 이용한 디바이스의 제조에 있어서의 특성 제어가 가능하여, 수율 향상에 크게 기여할 것으로 기대되고 있다.
본 발명자는, 지금까지 초음파 계측을 이용한 원자 공공 분석 장치를 제안하고 있다(특허 문헌1). 이 원자 공공 분석 장치에서는, 실리콘 시료에 외부 자장을 인가하고, 냉각하면서 결정 시료에 초음파를 통과시켜서, 실리콘 시료에서의 초음파 음속 변화 또는 초음파 흡수 변화와 실리콘 시료의 냉각 온도와의 관계를 나타내는 곡선의 급격한 하락량에 기초하여 원자 공공 결함 농도를 구하는 것이다. 실리콘 시료는, 공시 재료로서의 실리콘 웨이퍼의 표면에, 접착제를 통해, 예를 들면 LiNbO3로 이루어진 진동자가 부착되어 있다. 이 진동자에 교류 전압을 걸음으로써 초음파 펄스의 발진과 수신을 행하고 있다.
그런데, 실리콘 웨이퍼는 약 200K 이하에서 조금이나마 팽창하는데 반해, LiNbO3로 이루어진 진동자는 저온에서 수축하므로, 통상 이용되고 있는 LiNbO3로 이루어진 진동자를 실리콘 웨이퍼에 접착하는 방법으로는, 열팽창 차이에 의해 실리콘 웨이퍼 표면과 진동자의 접착에 박리가 발생한다. 따라서, LiNbO3로 이루어진 진동자를 이용한 트랜스듀서에서는, 실리콘 시료에 있어서의 초음파의 음속 변화를 안정적으로 계측할 수 없다는 것을 알았다.
이에 대해 본 발명자들은, LiNbO3로 이루어진 진동자 대신에, 산화 아연(ZnO)으로 이루어진 박막 진동자를 이용한 원자 공공의 정량 평가 장치를 제안하고 있다(비특허 문헌1∼4). 공시재료로서의 실리콘 웨이퍼에는, 초음파 펄스의 발진과 수신을 행하기 위해서, 실리콘 웨이퍼의 한 면에 초음파 발진부가 설치되고, 다른 면에 초음파 수신부가 설치되어 있다. 이들 초음파 발진부 및 초음파 수신부는, 상기 ZnO 박막으로 이루어진 박막 진동자와, 해당 박막 진동자를 사이에 두고 양면에 설치된 전극으로 이루어진 트랜스듀서로 구성되고, 한쪽 전극이 크롬 박막을 사이에 두고 실리콘 웨이퍼 상에 설치되어 있다. 여기서 상기 ZnO 박막은, C축이 소정의 방향으로 거의 정렬되도록 전극 상에 스퍼터법으로 직접 형성한다. 여기서 C축이란, ZnO 박막의 결정 구조의 회전 대칭축이다.
실리콘 웨이퍼의 한 면에 설치된 초음파 발진부의 전극에 교류 전압을 걸면, 박막 진동자에 팽창·수축의 진동이 발생하고, 이로 인해, 실리콘 웨이퍼에 탄성파(실제로는 펄스파)가 보내진다. 이 탄성파는, 실리콘 웨이퍼의 대향면에 설치된 초음파 수신부에 의해 검지되어 전기 신호로 변환된다.
이와 같이, 진동자로서 ZnO 박막을 이용함으로써, 진동자가 박리되는 경우가 없기 때문에, 안정적으로 실리콘 웨이퍼 중에 존재하는 원자 공공의 측정을 행할 수 있다는 뛰어난 효과를 발휘한다.
특허문헌 1: 특개평 7-174742호 공보
비특허문헌 1: 테루타카 고토, 히로시 야마다-카네타, 야시로 사이토, 유이치 네모또, 코지 사또, 코이치 카키모토, 그리고 신타로 나카무라 「옵져베이션 오브 베이컨시 인 하이 퓨러티 실리콘 크리스탈 유징 로우-템퍼레이션 울트라소닉 메져먼츠」이씨에스 트랜스색션스, 3(4)375-385(2006)(Terutaka Goto, Hiroshi Yamada-Kaneta, Yasuhiro Saito, Yuichi Nemoto, Koji Sato, Koichi Kakimoto, and Shintaro Nakamura 「Observation of Vacancy in High Purity Silicon Crystal UsingLow-Temperature Ultrasonic Measurements」 ECS Transactions, 3(4)375-385(2006))
비특허문헌 2: 테루타카 고토, 히로시 야마다-카네타, 야시로 사이토, 유이치 코지 사토, 코이치 카키모토, 신타로 나카무라「매터리얼스 사이언스 앤드 엔지니어링 B 134(2006)233-239 디렉톱져베이션 오브 베이컨시 인 실리콘 유징 서브-켈빈 울트라소닉 메져먼츠」메터리얼스 사이언스 앤드 엔지니어링 B 134(2006)233-239(Terutaka Goto, Hiroshi Yamada-Kaneta, Yasuhiro Saito, Yuichi Nemotoa, Koji Sato, Koichi Kakimoto, Shintaro Nakamura 「Materials Science and Engineering B 134(2006)233-239 Directobservation of vacancy in silicon using sub-Kelvin ultrasonic measurements」 Materials Science and Engineering B 134(2006)233-239)
비특허문헌 3: 히로시 야마다-카네타, 테루타카 고토, 야시로 사이토, 유이치 네모토, 코지 사토, 코이치 카키모토, 신타로 나카무라드,「베이컨시즈 인 디펙트-프리 존 오브 포인트-피펙트-컨트롤드 씨지 실리콘 옵져브드 바이 로우-템퍼레이쳐 울트라소닉 메져먼츠」메터리얼스 사이언스 앤드 엔지니어링 B 134(2006)240-243(Hiroshi Yamada-Kaneta, Terutaka Goto, Yasuhiro Saito, Yuichi Nemotob, Koji Sato, Koichi Kakimoto, Shintaro Nakamurad,「Vacancies in defect-free zone ofpoint-defect-controlled CZ silicon observed by low-temperature ultrasonic measurements」 Materials Science and Engineering B 134(2006)240-243)
비특허문헌 4: 테루타카 고토, 히로시 야마다-카네타, 야시로 사이토, 유이치 네모토, 코지 사토, 코이치 카키모토 앤드 신타로 나카무라「옵져베이션 오브 로우-템퍼레이쳐 엘라스틱 소프트닝 듀 투 베이컨시 인 크리스탈라인 실리콘」 저널 오브 더 피지컬 소사이어티 오브 재팬 Vol. 75, No. 4, April, 2006, 044602(Terutaka Goto, Koichi KAKIMOTO and Shintaro NAKAMURA 「Observation of Low-Temperature Elastic Softening due to Vacancy in Crystalline Silicon」 Journal of the Physical Society of Japan Vol. 75, No. 4, April, 2006, 044602)
그러나, 상기 특허 문헌 2에서도, ZnO 박막 진동자는, 예를 들면 스퍼터법으로 작성하면 적층하는데 장시간을 필요로 한다는 문제가 있었다. 즉, 통상 이 ZnO 박막은, 20미크론∼1미크론의 두께로 형성된다. 이 두께는, 측정 정밀도를 높인다는 주된 목적을 위하여, 측정 시료의 두께에 따라 변화시킬 필요가 있다. 일반적으로 측정 시료가 얇아지면, 보다 고주파의 음파가 필요해지므로, ZnO 박막은 보다 얇게 할 필요가 있다.
박막 진동자로서 가장 많이 이용되는 것은 10-3미크론의 ZnO박막이다. 스퍼터법으로 10미크론의 두께의 ZnO박막을 형성하기 위해서는 거의 하루 종일(약 12시간)을 필요로 한다. 이 ZnO 박막을, 실리콘 웨이퍼의 표면과 이면의 양쪽에 형성하여 초음파 발진부와 초음파 수신부를 형성하기 위해서는 거의 2일이 필요하다. 그렇다면, 이와 같은 종래 기술로는 트랜스듀서를 형성하기 위해서 장시간이 필요하므로, 증가하는 수요에 대응하여 단기간에 웨이퍼를 대량으로 생산하고 대량으로 평가하는 것이 곤란하다. 이는, 양질의 ZnO 박막을 형성하는데 장시간이 필요하다는, 종래 기술의 본질적인 단점에 근거한 것으로, ZnO 박막을 채용하는 한 불가피한 문제다.
또한, 스퍼터법은, 일반적으로 스퍼터 장치가 고가일 뿐만 아니라, 고진공을 필요로 하기 때문에 복잡한 제조 프로세스를 필요로 한다.
따라서, 상기한 이유에 의해, 스퍼터법을 이용하여 박막 진동자를 형성하는 종래의 방법으로는 효율적으로 실리콘 웨이퍼 중에 존재하는 원자 공공의 정량 평가를 행하는 것이 곤란했다.
따라서, 본 발명은 상기한 문제점에 감안하여, 효율적으로 실리콘 웨이퍼 중에 존재하는 원자 공공의 정량 평가를 행할 수 있는 원자 공공의 정량 평가 장치 및 정량 평가 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 청구항 1에 관한 발명은, 실리콘 웨이퍼에 초음파 발진부와 초음파 수신부를 형성한 실리콘 시료와, 상기 실리콘 시료에 대하여 외부 자장을 인가 하는 자력 발생 수단과, 상기 실리콘 시료를 50K 이하의 온도영역으로 냉각 가능한 냉각 수단과, 상기 초음파 발진부에서 발진된 초음파 펄스와, 상기 초음파 펄스를 상기 실리콘 웨이퍼 중에 전파시켜 상기 초음파 수신부에서 수신한 측정파 펄스와의 위상차이를 검출하는 검출 수단을 구비하고, 상기 초음파 발진부 및 상기 초음파 수신부는, 상기 온도 영역에서 온도강하에 따른 실리콘 웨이퍼의 팽창에 추종할 수 있는 물성을 갖는 박막 진동자 중, 고체화할 때, 혹은 고체화 후에 가열하고 냉각할 때에 분자축의 배향이 발생하는 성질을 갖는 고분자 재료로 이루어진 박막 진동자와, 상기 박막 진동자에 전장을 인가하는 전극을 가지는 트랜스듀서를 구비한다.
또한, 청구항 2에 관한 발명은, 상기 박막 진동자는, 전장을 인가하여 분자축을 전장 방향으로 배향시킨 상태에서, 고체화함과 동시에 전장 제거 후에도 상기 분자축의 배향이 유지되는 성질을 갖는 고분자 재료로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 3에 관한 발명은, 50℃ 이상 500℃ 이하의 고온 가열 상태에서 전장을 인가하여 상기 박막 진동자의 분자축을 전장 방향으로 배향시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 4에 관한 발명은, 상기 고분자 재료는, PVDF 또는 P(VDF/TrFE)인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 5에 관한 발명은, 상기 박막 진동자는, 두께가 0.1∼30㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 6에 관한 발명은, 탄성 정수 C44의 비율이 많은 결정 방위의 방향으로 상기 초음파 펄스를 전파시켜 상기 초음파 수신부에서 측정파 펄스를 수신하여, 상기 초음파 펄스와 상기 측정파 펄스의 위상차를 검출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 7에 관한 발명은, 상기 박막 진동자와 상기 실리콘 시료의 표면과의 사이에 금 박막, 티탄 박막, 알루미늄 박막 및 구리 박막 중 어느 하나를 형성한 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 8에 관한 발명은, 상기 초음파 발진부 및 초음파 수신부는 10㎲이하의 펄스 폭의 초음파 펄스를 이용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 9에 관한 발명은, 50K 이하의 온도 영역에서 온도 강하에 따른 실리콘 웨이퍼의 팽창에 추종할 수 있는 물성을 갖는 고분자 재료로 이루어진 박막 진동자를 각각 가지는 초음파 발진부와 초음파 수신부를 형성한 실리콘 시료에 대하여, 상기 박막 진동자를 고체화할 때, 고체화 후에 가열할 때 및 고체화 후에 가열하고 냉각할 때 중 어느 하나에 있어서 분자축의 배향을 발생시키는 배향 처리 공정과, 50K 이하의 온도 영역이고, 또한 외부 자장을 인가하여 상기 초음파 발진부에서 초음파 펄스를 발진하고, 상기 초음파 펄스를 실리콘 웨이퍼 중에 전파시킨 측정파 펄스를 상기 초음파 수신부에서 수신하여, 상기 초음파 펄스와 상기 측정파 펄스의 위상차를 검출하는 검출 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 10에 관한 발명은, 상기 청구항 7에 기재된 정량 평가 방법에 의해 상기 실리콘 웨이퍼 중에 존재하는 원자 공공을 정량 평가하는 평가 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 11에 관한 발명은, 50K 이하의 온도 영역에서 온도강하에 따른 실리콘 웨이퍼의 팽창에 추종할 수 있는 물성을 갖는 박막 진동자 중, 고체화할 때, 고체화 후에 가열할 때 및 고체화 후에 가열하고 냉각할 때 중 어느 하나에 있어서 분자축의 배향이 발생하는 성질을 갖는 고분자 재료로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 청구항 12에 관한 발명은, 상기 박막 진동자는, 초음파 발진부와 초음파 수신부를 가지는 검출 수단과, 실리콘 웨이퍼에 상기 초음파 발진부와 상기 초음파 수신부를 형성한 실리콘 시료와, 상기 실리콘 시료에 대하여 외부 자장을 인가하는 자력 발생 수단과, 상기 실리콘 시료를 50K 이하의 온도 영역으로 냉각 가능한 냉각 수단을 구비하는 실리콘 웨이퍼 중에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 장치의 상기 초음파 발진부 및 상기 초음파 수신부에 이용하여, 전장을 인가해서 분자축을 전장 방향으로 배향시킨 상태에서, 고체화함과 동시에 전장 제거 후에도 상기 분자축의 배향이 유지되는 성질을 갖는 고분자 재료로 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 청구항 1에 기재된 정량 평가 장치에 따르면, 박막 진동자를 고분자 재료로, 상기 실리콘 웨이퍼 상에 형성할 수 있다. 이로써, 스퍼터링과 같은 물리 증착법에 의해 ZnO 박막을 형성하였던 종래에 비해, 훨씬 용이하면서 단시간에 균일한 박막을 형성할 수 있으므로, 효율적으로 실리콘 웨이퍼 중에 존재하는 원자 공공의 정량 평가를 행할 수 있다. 또한, ZnO 박막을 형성하였던 종래에는, 형성할 수 있는 막두께가 0.5㎛∼10㎛이었던 것에 반해, 고분자 재료로 박막 진동자를 형성하는 본 발명에서는, 0.1㎛∼30㎛의 넓은 범위의 막두께로 할 수 있다.
또한, 청구항 2에 기재된 정량 평가 장치에 따르면, 확실하게 분자축을 소정 방향으로 배향시킬 수 있다.
또한, 청구항 3에 기재된 정량 평가 장치에 따르면, 보다 확실하게 분자축을 소정 방향으로 배향시킬 수 있다.
또한, 청구항 4에 기재된 정량 평가 장치에 따르면, 보다 확실하게 초음파 펄스를 발생시킬 수 있다.
또한, 청구항 5에 기재된 정량 평가 장치에 따르면, 측정 가능한 초음파를 발생시킬 수 있다.
또한, 청구항 6에 기재된 정량 평가 장치에 따르면, C44의 비율이 높은 결정 방위의 방향으로 상기 초음파 펄스를 전파시켜, 상기 초음파 수신부에서 측정파 펄스를 수신하여, 상기 초음파 펄스와 상기 측정파 펄스의 위상차를 검출해서 정량 평가를 행함으로써, 보다 확실하게 웨이퍼 중의 원자 공공 농도를 정량적으로 평가할 수 있다.
또한, 청구항 7에 기재된 정량 평가 장치에 따르면, 냉각 시의 박리를 방지하는 동시에 전도성을 높일 수 있다.
또한, 청구항 8에 기재된 정량 평가 장치에 따르면, 이웃하는 펄스끼리를 확실하게 구별할 수 있다.
또한, 청구항 9에 기재된 정량 평가 방법에 따르면, 박막 진동자를 고분자 재료로 구성함으로써, 스퍼터링과 같은 물리 증착법에 의해 ZnO 박막을 형성하였던 종래에 비해, 훨씬 용이하면서 단시간에 형성할 수 있으므로, 효율적으로 실리콘 웨이퍼 중에 존재하는 원자 공공의 정량 평가를 행할 수 있다.
또한, 청구항 10에 기재된 실리콘 웨이퍼의 제조 방법에 따르면, 단기간에 효율적으로 고품질의 실리콘 웨이퍼를 생산할 수 있다.
또한, 청구항 11에 기재된 박막 진동자에 따르면, 박막 진동자를 고분자 재료로 구성함으로써, 스퍼터링과 같은 물리 증착법에 의해 ZnO 박막을 형성하였던 종래에 비해, 훨씬 용이하면서 단시간에 균일한 박막을 형성할 수 있으므로, 효율적으로 실리콘 웨이퍼 중에 존재하는 원자 공공의 정량 평가를 행할 수 있다.
또한, 청구항 12에 기재된 박막 진동자에 따르면, 보다 확실하게 초음파 펄스를 발생시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 웨이퍼 중에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 시료를 세팅한 시료 홀더부의 확대도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 시료의 구성을 모식적으로 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 펄스를 이용하여 위상 차이를 검출하는 방법을 설명하기 위한 전체 구성도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 비도핑 CZ 실리콘 잉곳의 종단면의 일례를 모식적으로 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 정량 평가 방법으로 실리콘 웨이퍼 중에 존재하는 원자 공공을 측정했을 경우에 얻어지는 냉각 온도에 대한 탄성 정수의 변화를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 정량 평가 방법에 있어서의 실리콘 웨이퍼의 결정 방위와 측정 방향의 관계를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 구성을 나타내는 단면도로서, (a)기판시료, (b)시료칩을 나타내는 도면.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 시료의 구성을 나타내는 단면도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 시료의 구성을 나타내는 평면도.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 배향 처리를 행하는 경우의 구성을 나타내는 단면도.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 배향 처리를 행하는 경우의 시퀀스를 나타내는 도면.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 막두께 10㎛인 박막 진동자에 대해서 배향 처리를 행했을 경우의 전류밀도-바이어스 전압선 도면.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 막두께 12㎛인 박막 진동자에 대해서 배향 처리를 행했을 경우의 전류밀도-바이어스 전압선 도면.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 삽입 손실의 주파수 특성을 나타내는 도면.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 스미스 차트.
본 발명에 관한 실리콘 웨이퍼 중에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 장치(1)에 대해서 도면을 참조하여 설명한다.
도 1에 나타난 정량 평가 장치(1)는, 시료 홀더부(2), 냉각 수단으로서의 희석 냉동기(3), 자력 발생 수단(4) 및 검출 수단(5)을 구비한다. 이 정량 평가 장치(1)는, 전체적으로 시료 홀더부(2)에 설치한 실리콘 시료(6)에 외부 자장을 인가한 상태에서, 해당 실리콘 시료(6)를 소정 온도로 냉각하고, 후술하는 실리콘 웨이퍼 안을 전파한 초음파 펄스의 음속을 검출할 수 있도록 구성되어 있다.
자력 발생 수단(4)은, 실리콘 시료(6)에 대하여 외부 자장을 인가하기 위해서 실리콘 시료(6)가 세팅된 위치를 둘러싸서 배치된다. 자력 발생 수단(4)으로는, 예를 들면 초전도 자석을 이용할 수 있다. 또한, 본 발명은, 실리콘 시료(6)에 대하여 외부 자장을 필요에 따라 인가한 상태에서 실리콘 웨이퍼 안을 전파한 초음파 펄스의 음속을 검출하기 때문에, 자력 발생 수단(4)은 0∼20테슬라의 범위로 제어 가능한 것이 바람직하다. 예를 들면, 실리콘 웨이퍼 내의 고립된 원자 공공의 종류는, 후술하겠지만 외부 자장을 인가함으로써 특정할 수 있다.
희석 냉동기(3)는, 시료 홀더부(2)에 설치한 실리콘 시료(6)를 50K 이하의 온도 영역으로 냉각·제어할 수 있도록 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 희석 냉동기(3)는, 3He계(10)와, 4He계(11)의 2계통으로 이루어지고, 듀워(12) 내를 소정 온도로 냉각할 수 있도록 구성되어 있다. 듀워(12)는, 내층(12a)과 바깥층(12b)의 이중 구조를 가지며, 이 내층(12a)과 바깥층(12b)의 사이에 진공의 공간(12c)이 형성되어 있다. 이 듀워(12) 내에는 액체인 4He가 저류되어 있다.
3He계(10)는, 희석 냉동기(3)로서의 냉각 능력을 얻을 수 있도록 구성되어 있다. 이 3He계(10)는, 저류 탱크(14), 순환 펌프(15), 콘덴서(16), 혼합기(17) 및 분리기(18)를 구비한다. 순환 펌프(15)는, 통상의 펌프와는 달리, 3He이 외기로 빠져나가지 못하는 구조로 되어 있다. 콘덴서(16)는, 순환 펌프(15)로부터 보내진 3He가스를 냉각하여 3He액을 얻는다.
혼합기(17)는, 희석 냉동기(3)에서 가장 온도가 낮은 부분이다. 이 혼합기(17) 내에는, 상 분리한 3He-4He 혼합액의 계면이 존재한다. 혼합기(17) 내의 상반부는 3He 농후상으로, 상기 콘덴서(16)로부터 끊임없이 공급되고 있다. 또한, 혼합기(17) 내의 하반부는 3He 희박상(농도 약 6%로, 나머지가 초유동 4He)으로, 분리기(18)에 연결되어 있다. 이 혼합기(17)에 있어서 3He는, 엔트로피가 큰 농후상에서 엔트로피가 거의 없는 희박상으로 강제적으로 이동된다. 이때 발생하는 엔트로피 차이에 의해, 희석 냉동기(3)는 냉각 능력이 생기게 된다.
분리기(18)는, 희박상에 있는 3He만을 선택적으로 증발시켜 얻도록 구성되어 있다. 이 분리기(18)는, 소정 온도(예를 들면, 0.8K 이하)로 유지된다. 이로써, 분리기(18)는 4He의 증기압이 0인 것에 반해 3He의 증기압은 유한하게 유지되는 현상을 이용하여 3He만을 증발시킨다.
4He계(11)는, 3He가스를 액화할 수 있도록 구성되어 있다. 이 4He계는, 배기 펌프를 갖는 1K포트(20)를 구비한다. 이 4He계(11)에서는, 1K포트(20) 내의 4He를 배기 펌프로 배기함으로써 냉각 능력을 얻는다. 본 실시 형태에서는, 콘덴서(16)를 통해 듀워(12) 내로부터 직접 4.2K의 4He액을 취함으로써, 연속적인 운전이 가능하게 구성되어 콘덴서(16)에서 3He가스를 액화하고 있다.
참고로, 도 1에서는, 실리콘 시료(6)를 세팅한 시료 홀더부(2)가, 혼합기(17) 내의 3He과 4He의 혼합액 중에 침지하여 직접 냉각하는 구성을 나타내고 있는데, 이 구성에만 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 냉각한 혼합기(17)를 형성하는 부재를 열전도율이 높은 재질로 구성하고, 혼합기(17)를 형성하는 부재로부터의 열전도를 이용하여 실리콘 시료(6)를 간접적으로 냉각할 수 있다. 이와 같은 구성의 경우에는, 특히 냉각하는 온도 영역을 고온 측으로 넓힐 수 있는 점에서 유리하다.
검출수단(5)은, 실리콘 웨이퍼의 표면에 대하여 초음파 펄스를 발진하고, 발진시킨 초음파 펄스를 실리콘 웨이퍼 안에 전파시킨 측정파 펄스를 수신하여, 실리콘 웨이퍼 안을 전파한 초음파 펄스의 음속을 검출할 수 있도록 구성된다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 시료 홀더부(2)는 코일 용수철(24)에 의해 축방향으로 압박된 한 쌍의 핀(25)에 의해 구성되어 있다. 이렇게 구성된 시료 홀더부(2)는, 한 쌍의 핀(25) 사이에 실리콘 시료(6)를 끼워서 실리콘 시료(6)를 유지하고 있다.
본 발명에서는, 실리콘 시료(6)는, 실리콘 웨이퍼(26)와, 각해당 실리콘 웨이퍼(26)의 한 면에 설치된 초음파 발진부(27)와, 다른 면에 설치된 초음파 수신부(28)로 이루어진다. 이 초음파 발진부(27)와 초음파 수신부(28)는 후술하는 트랜스듀서를 구비한다.
도 3에 나타내는 바와 같이, 상기 트랜스듀서(30)는, 막 형상으로 형성된 박막진동자(31)와, 해당 박막진동자(31)에 전장을 인가하는 전극으로서의 내부전극(32) 및 외부전극(33)으로 이루어진다.
박막 진동자(31)는, 분자 사슬 중에 큰 전기 쌍극자 능률을 가지고, 전장을 가하면 쌍극자가 전장 방향으로 배향하는 (폴링)고분자 재료로 구성된다. 이 박막 진동자(31)는, 상기 온도 영역에서 온도강하에 따른 실리콘 웨이퍼의 팽창에 추종할 수 있는 물성을 가지고, 전장을 인가해서 분자축을 전장 방향으로 배향시킨 상태로 온도강하시킴으로써, 고체화함과 동시에 전장 제거 후에도 상기 분자축의 배향(전기분극)이 유지되는 성질을 갖는 액상 고분자 재료를 고체화시켜서 형성되어 있다. 여기서 분자축이란, 미소 거리를 두고 놓여진 마이너스 플러스가 발산되는 한 쌍을 말한다. 또한, 배향은 50℃ 이상 500℃ 이하의 고온 가열 상태에서 행해진다. 또한, 실리콘 웨이퍼(26)의 팽창에 추종할 수 있는 물성이란, 실리콘 웨이퍼(26)를 저온으로 했을 경우의 체적 팽창에 의해 발생하는 응력을, 박막 진동자(31)가 흡수함으로써 박리를 방지할 수 있는 것을 말한다. 본 실시 형태에서는, 박막 진동자(31)는 불화비닐리덴 CH2CF2(VDF)의 중합체(PVDF)로 구성되어 있다.
또한, 본 발명은 이에 한하지 않으며, 이러한 고분자 재료로는, 예를 들면, VDF와 3불화에틸렌 CHFCF2(TrFE)의 공중합체(P(VDF/TrFE)), VDF와 4불화에틸렌 CF2CF2(TeFE)의 공중합체(P(VDF/TeFE)), 시안화비닐리덴 CH2C(CN)2(VDCN)과 초산비닐 CH2CHOCOCH3(VAc)의 교대 공중합체(P(VDCN/VAc)), 디아민과 디이소시아네이트의 축합 중합체(NHCONH-R-NHCONH-R')n(R, R'은 방향족, PU(폴리요소)), 불소수지를 적용할 수 있다.
또한, PVDF는, 다른 상기한 고분자 재료에 비해 전압-변형 특성이 크고, 게다가 전압-변형 특성의 선형 범위가 넓다. 따라서, 박막 진동자(31)는, PVDF로 구성함으로써, 작은 전압으로 효율적으로 실리콘 웨이퍼의 정량 평가를 행할 수 있다.
박막 진동자(31)의 두께는, 0.1∼10㎛의 범위인 것이 측정 가능한 초음파를 발생시킬 수 있는 점에서 바람직하다.
(제작 방법)
다음으로, 상기한 바와 같이 구성되는 실리콘 시료(6)의 제작 방법에 대해서 설명한다. 우선, 실리콘 웨이퍼(26)의 대향하는 한 쌍의 표면 상에 Ag(은) 또는 Au(금)을 증착하여 내부전극(32)을 형성한다. 이어서, 이 전극 상에 고분자 재료로 이루어진 박막 진동자(31)를 스핀코트법에 의해 형성한다. 즉, 박막 진동자(31)는, 용매에 용해시킨 상기 고분자 재료를 실리콘 웨이퍼(26) 상에 형성한 내부 전극(32)의 표면에 떨어뜨려, 실리콘 웨이퍼(26)를 회전시켜 그 회전 시의 원심력을 사용하여 내부전극(32) 표면에 균질하게 바름으로써 형성된다. 이어서, 이렇게 형성한 박막 진동자(31) 상에 Ag 또는 Au를 증착하여 외부전극(33)을 형성한다.
이와 같이 본 발명에서는, 박막 진동자(31)를 고분자 재료로 구성함으로써, 예를 들면, 스핀코트법으로 박막 진동자(31)를 형성할 수 있다. 이로써, 스퍼터링과 같은 물리 증착법에 의해 ZnO 박막을 형성하였던 종래에 비해, 훨씬 용이하면서 단시간에 균일한 박막을 형성할 수 있으므로, 고품질의 실리콘 웨이퍼(26)를 단기간에 대량으로 생산하고, 대량으로 평가할 수 있다.
또한, 스퍼터법에 의해 ZnO 박막으로 이루어진 박막 진동자를 형성하였던 종래의 정량 평가 장치에서는, 일반적으로 스퍼터 장치가 고가일 뿐만 아니라 고진공을 필요로 하므로, 복잡한 제조 프로세스가 필요하여 효율적으로 정량 평가를 행하는 것이 곤란하였다.
이에 대해 본 발명에서는, 박막 진동자(31)를 고분자 재료로 구성함으로써, 스핀코트법으로 박막 진동자(31)를 형성할 수 있다. 스핀 코트법은, 장치가 저렴할 뿐만 아니라 특별한 진공을 필요로 하지 않으므로, 제조 프로세스를 간소화할 수 있다. 따라서, 본 발명의 정량 평가 장치(1)는, 스퍼터법을 이용하였던 종래에 비해 훨씬 용이하게 박막 진동자를 형성할 수 있으므로, 효율적으로 정량 평가를 행할 수 있다.
또한, 장치가 저렴하면서 효율적으로 정량 평가를 행할 수 있는 점에서, 본 발명에서는 웨이퍼 제조 라인, 예를 들면, 웨이퍼 양산 라인에서도 평가를 행할 수 있다.
또한, ZnO 박막을 형성하였던 종래에는, 형성할 수 있는 막두께가 0.5㎛∼10㎛이었던 것에 반해, 스핀코트법으로 박막 진동자를 형성하는 본 발명에서는, 0.1㎛∼30㎛의 넓은 범위의 막두께로 할 수 있다.
또한, 박막 진동자(31)는, 이 구성을 채용함으로써 실리콘 웨이퍼(26)를 50K 이하의 극저온까지 냉각을 행해도, 박막 진동자(31)가 실리콘 웨이퍼(26)의 팽창에 추종할 수 있기 때문에, 상기 냉각에 의해 박리되는 것을 막을 수 있다. 따라서, 본 실시 형태에 관한 정량 평가 장치(1)는, 실리콘 웨이퍼(26) 안을 전파한 초음파 펄스의 음속을 고정밀도로 검출할 수 있는 결과, 실리콘 웨이퍼(26) 내의 고립된 원자 공공의 종류와 존재 농도를, 그 농도를 높이는 등의 가속 처리를 행하지 않고도 직접적으로 안정되게 정량적으로 평가할 수 있다.
또한, 상기 박막 진동자(31)와 상기 실리콘 웨이퍼(26)의 표면과의 사이에 금 박막, 티탄 박막, 알루미늄 박막 및 구리 박막 중 어느 하나를 형성함으로써, 냉각 시의 박리를 방지하는 동시에 전기 전도성을 높일 수 있다.
도 4에 나타내는 바와 같이 검출수단(5)은, 기본 신호를 직접 측정한 참조 신호와, 상기 초음파 펄스를 상기 실리콘 시료(6) 안을 전파시킨 후에 측정한 측정파 펄스의 측정 신호와의 위상차를 검출할 수 있도록 구성되어 있다. 본 실시 형태에서는, 검출수단(5)은, 표준신호 발생기(35), 주파수 카운터(36), 퍼스널 컴퓨터(37), 다이오드스위치(38), 펄스 발생기(39), 위상 이행기(40) 및 위상 검출기(41)를 구비한다.
표준신호 발생기(35)는 기본 신호를 발생한다. 이 기본 신호는, 참조 신호계(5a)와 측정 신호계(5b)로 분기된다. 또한, 주파수 카운터(36)는, 기본신호를 계측하고, 그 결과를 퍼스널 컴퓨터(37)에 출력한다.
참조 신호계(5a)는, 위상 이행기(40)를 통해 위상 검출기(41)에 접속되어 있다. 한편, 측정 신호계(5b)는, 펄스 발생기(39)가 접속된 다이오드 스위치(38), 실리콘 시료(6)가 순서대로 배치되고, 위상 검출기(41)에 접속되어 있다. 다이오드 스위치(38)는 기본 신호를 소정의 폭으로 분할한다.
위상 검출기(41)는, 기본 신호에 기초한 참조 신호와, 실리콘 시료(6)로부터 출력된 측정 신호를 비교하여, 실리콘 웨이퍼(26) 안의 초음파 펄스의 음속을 검출한다.
이와 같이 구성된 검출 수단(5)은, 10㎲ 이하의 펄스 폭의 초음파 펄스를 이용함으로써 두께가 10mm 이하인 실리콘 웨이퍼(26) 중의 음속을 측정하고, 또한 이웃하는 펄스끼리를 확실하게 구별할 수 있다. 또한, 검출 수단(5)은, 온도나 자장으로 음속이 변화함으로써 생기는 위상차가 일정해지도록 발진 주파수를 변화시켜 제로 검출을 행하는 수단을 가지는 것이 보다 적합하다.
또한, 본 발명의 정량 평가 장치(1)는, 다수 개의 실리콘 시료(6) 및 하나의 실리콘 시료(6)의 복수 점에 대해서, 동시에 위상차를 측정할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
(정량 평가 방법)
다음으로, 본 발명에 관한 실리콘 웨이퍼(26) 중에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 방법의 일례에 대해서 이하에서 설명한다.
본 발명의 정량 평가 방법은, 우선, 실리콘 잉곳으로부터 소정의 부위를 잘라낸 실리콘 웨이퍼(26)의 표면에, 초음파 발진부(27)와 초음파 수신부(28)를 각각 형성한 실리콘 시료(6)에 대하여, 외부 자장을 필요에 따라 인가한 상태에서 25K 이하의 온도영역에서 냉각한다.
다음으로, 표준 신호 발생기(35)에 의해 기본 신호를 발진한다. 이 기본 신호는, 참조 신호계(5a)와 측정 신호계(5b)로 분기된다. 측정 신호계(5b)의 기본 신호는 다이오드 스위치(38)에 의해 0.5㎲의 폭으로 분할된다.
트랜스듀서(30)에서는, 다이오드 스위치(38)에 의해 분할된 기본 신호에 의해, 외부 전극(33)과 내부 전극(32) 사이에 전장으로서의 교류 전장이 인가된다. 이 교류 전장에 의해, 박막 진동자(31)의 분자축이 전장 방향으로 배향된다. 그렇게 되면, 박막 진동자(31)가 분극되어 압전성이 나타나고, 이로 인해 초음파 발진부(27)는 기본 신호에 기초하여 초음파 펄스를 발생한다. 이렇게 하여 기본신호는, 초음파 발진부(27)의 트랜스듀서(30)에 의해 기계 신호, 즉 초음파 펄스로 변환된다.
초음파 펄스는, 실리콘 웨이퍼(26)의 일단에서 타단으로 전파한다. 실리콘 웨이퍼(26)의 내부를 전파하는 초음파 펄스는, 실리콘 웨이퍼(26)의 일단 및 타단에서 반사를 반복하고, 초음파 수신부(28)의 트랜스듀서(30)에서 측정파 펄스로서 수신되어, 다시 전기 신호로 변환되어 측정 신호로서 출력된다.
이 측정 신호와 참조 신호를 위상 검출기(41)에서 비교하여, 초음파 펄스와 측정파 펄스의 위상차 φn을 계측한다. 이 위상차 φn을 이용하여 음속 v를 하기의 식1로부터 산출하였다.
식 1: φn=2π(2n-1)lf/v
여기서, (2n-1)l은 n번째의 에코의 전파장이며, f는 초음파 주파수이다.
이렇게 하여 산출된 음속 v로부터, 탄성 정수 C를 하기의 식2로부터 산출하였다.
식 2: C=ρv2
여기서, ρ:밀도이다.
상기한 바와 같이 하여, 초음파 펄스의 위상차 φn으로부터 축차 음속 v를 검출한다. 그리고, 음속 v로부터 냉각 온도의 저하에 따른 탄성 정수 C를 산출하여, 탄성 정수 C의 감소량으로부터 실리콘 웨이퍼(26) 중에 존재하는 원자 공공의 종류와 농도를 정량적으로 평가할 수 있다. 탄성 정수의 감소량과 원자 공공 농도가 비례하기 때문이다.
직경 300mmφ인 실리콘 웨이퍼<100>의 두께 d=0.775mm이다. <100> 방향으로 전파하는 종파 초음파의 음속 v=8.4km/sec이며, 초음파 펄스가 실리콘 웨이퍼 안을 왕복하는 시간 t=2d/v=0.185×10-6sec이다. 초음파 펄스에 의한 음속 측정에서는, 초음파 에코 펄스가 서로 중첩되지 않는 배려가 필요하기 때문에, 입사하는 초음파 펄스의 폭을, 바람직하게는 0.185×10-6sec보다 작게 할 필요가 있다.
초음파 계측을 행하기 위해서는, 폭 0185×10-6sec의 초음파 펄스 중에 초음파의 파가 적어도 10개 이상은 필요하다. 따라서 측정 주파수는, 바람직하게는 f=54MHz보다 높은 주파수가 필요하다.
신호와 잡음의 비를 크게 유지하기 위해서, 단시간에 입사하는 초음파 펄스의 반복 회수를, 바람직하게는 1000회 이상(반복 주파수를 1kHz 이상)으로 할 필요가 있다.
초음파 수신부에 의해 전기 신호를 초음파로 변환하기 위해서는, 입력측 및 출력측에 전기 증폭기를 설치한다. 동축 케이블의 반송 효율을 최적으로 하기 위해서 그 임피던스는 50Ω으로 되어 있다. 따라서, 시판되는 증폭기는 50Ω의 입출력 임피던스를 가지고 있다. 바람직하게는, Zn0의 공명 임피던스를 50Ω으로 조정한다.
도 5에 나타내는 바와 같이 직경 6인치인 논도프 CZ 실리콘 잉곳을 시험제작하여, 그 종단면을 모식적으로 나타내는 것이다. 도 5에서 명확한 바와 같이, 중심부에는 약 3cm에 걸친 진성 점 결함 영역(Pv영역과 Pi영역)이 존재하는 것이 인정되었다.
그리고 다음으로, 진성 점 결함 영역인 Pv영역과 Pi영역에서 각각 실리콘 웨이퍼(26)를 4mm×4mm×7mm로 잘라내어, 각각 초음파 발진부(27)와 초음파 수신부(28)를 형성하여 실리콘 시료(26A)와 실리콘 시료(26B)를 얻었다. 이 실리콘 시료(26A)와 실리콘 시료(26B)를 도 1 및 도 2에 나타내는 정량 평가 장치(1)에 설치하고, 본 발명의 정량 평가 방법에 의해 30K∼20mK까지 냉각했을 때의, 실리콘 시료(26A)와 실리콘 시료(26B)의 각 실리콘 웨이퍼의 냉각 온도에 대한 탄성 정수의 변화를 측정하면, 예를 들면 도 6과 같은 그래프를 얻을 수 있다.
도 6에 나타내는 그래프에서는, 원자 공공 리치라고 생각되어 왔던 Pv영역의 실리콘 시료(26A)에서는, 20K∼10mK까지의 극저온 영역에서 온도의 역수에 비례하여 탄성 정수가 현저하게 저하되고, 다시 말해 저온 소프트화되고 있는 것을 나타내고 있다. 한편, 격자 간 원자 리치라고 생각되어 왔던 Pi영역의 실리콘 시료(26B)에서는, 이러한 탄성 정수의 저하는 인정되지 않음을 나타내고 있다.
또한, B(붕소)를 도핑한 FZ 실리콘 단결정과, B 무첨가 FZ실리콘 단결정을 이용하여 자장 의존성에 대해서도 조사하였다. 그 결과, B 첨가 FZ실리콘 단결정에서의 저온 소프트화는, 자장을 인가하면 소실되지만, 무첨가 FZ 실리콘 단결정에서의 저온 소프트화는, 자장을 인가해도 소실되지 않는다는 지견을 얻을 수 있었다. 이는, 원자 공공의 전하 상태와 왜곡의 결합이 소프트화의 기원임을 나타내고 있다. 무첨가 FZ 실리콘 단결정의 원자 공공에서는 4개의 전자를 포획한 비자성의 전하 상태에 있고, B 첨가 FZ 실리콘 단결정에서는 3개의 전자를 포획한 자기를 띤 전하 상태에 있다. 원자 공공의 분자궤도는 일중항과 삼중항으로 분열되고, 삼중항의 전기 사극자와 왜곡의 결합이 C44 및 (C11-C12)/2인의 저온 소프트화를 일으키고 있는 것으로 생각된다. 무첨가 FZ 실리콘 단결정에서는, 원자 공공의 사이에 반강 사극자 상호 작용이 존재하여, 최저 온도 20mK에서도 원자 공공의 주변의 Td 대칭성이 유지되고, 삼중항은 축퇴되어 전기 사극자의 흔들림이 존재하고 있는 것으로 보여진다.
이들 결과로부터, 포착된 전자가 홀수(3 또는 5)개인 원자 공공에 의한 탄성 정수의 저온 소프트화에는 자장 의존성이 있고, 한편, 짝수(4)개의 전자를 포획한 원자 공공에 의한 탄성 정수의 저온 소프트화에는 자장 의존성이 없다는 지견을 이용하여, 본 발명에서는, 자장 의존성의 유무로부터 원자 공공의 종류를 정할 수 있다.
이렇게 하여, 본 발명의 정량 평가 장치(1) 및 방법에 따르면, 측정에 의해 얻어진 냉각 온도에 대한 탄성 정수의 변화로부터 원자 공공 농도를 정량적으로 평가할 수 있다.
또한, 결정 방위 <100>방향에 나타내는 탄성 정수는, 수 1에 나타내는 바와 같다. 여기서 CB는, 수 2에 나타내는 바와 같다. 이 식으로부터 명확한 바와 같이, <100>방향에는 탄성 정수 C44는 포함되어 있지 않다.
[수 1]
Figure pct00001
[수 2]
Figure pct00002
마찬가지로, 결정 방위 <110>방향 및 <111>방향에서의 각 탄성 정수는, 수 3 및 수 4에 나타내는 바와 같다.
[수 3]
Figure pct00003
[수 4]
Figure pct00004
이 식으로부터 명확한 바와 같이, 결정 방위 <110>방향 및 <111>방향에서는, 저온 소프트화를 일으키는 C44가 포함된다. 이 C44의 비율이 높은 결정 방위의 방향에 상기 초음파 펄스를 전파시키고, 상기 초음파 수신부에서 측정파 펄스를 수신하여 상기 초음파 펄스와 상기 측정파 펄스의 위상차를 검출해서 정량 평가를 행함으로써, 보다 확실하게 웨이퍼 중의 원자 공공 농도를 정량적으로 평가할 수 있다.
구체적으로는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 실리콘 잉곳으로부터 잘라낸 실리콘 웨이퍼(50)의 연직 방향이 결정 방위 <100>방향(도에서 화살표V)이 되고, 실리콘 웨이퍼(50)의 수평 방향이 결정 방위 <110>방향(도에서 화살표H)이 된다. 따라서, 실리콘 웨이퍼(50)를 소정의 크기로 분할하여 얻은 칩(51)에 대하여, 결정 방위 <110>방향(도에서 화살표H)의 한 쌍의 면에 각각 초음파 발진부(27) 및 초음파 수신부(28)를 설치한다. 이로 인해, C44의 비율이 높은 결정 방위의 방향으로 초음파 펄스를 전파시킬 수 있으므로, 보다 확실하게 칩(51) 중의 원자 공공 농도를 정량적으로 평가할 수 있다.
상술한 바는, 본 발명의 실시 형태의 일 예를 나타낸 것에 지나지 않으며, 청구의 범위에 있어서 다양한 변경을 더할 수 있다. 예를 들면, 상기한 실시 형태에서는, 박막 진동자(31)를 스핀코트법으로 형성할 경우에 대해서 설명했지만, 본 발명은 이에 한하는 것이 아니라, 고분자 재료로 이루어진 시트 형상의 박막 진동자를 웨이퍼 상에 설치하는 것으로 하여도 좋다.
(실시예)
다음으로 본 발명에 관한 실시예에 대해서 설명한다. 우선, 도 8에 나타내는 바와 같이, 안티몬을 도핑한 N형의 Si기판(55)(저효율 0.02Ω·cm) 상에 Ti 박막(56)을 200nm 적층한 기판 시료(57)를 제작하였다(동 도a). 다음으로, 상기 기판 시료(57)를 분할하여 20mm 각의 시료칩(58)을 얻었다.
이 시료칩(58) 상에 P(VDF/TrFE)를 도포법으로 형성한 박막 진동자(31)를 적층하였다(도 9). 이 박막 진동자(31)의 막 두께를, 2, 4, 6, 8, 10, 12㎛로 한 시료(59)를 각각 형성하였다. 참고로, 이렇게 하여 얻어진 각 시료(59)에는, 도 10에 나타낸 바와 같이 등간격으로 Al전극을 증착법으로서 형성하였다.
그리고, 도 11에 나타내는 바와 같이, Si기판(55)과 Al전극(60)을 전기적으로 접속하고, 배향 처리를 행하였다. 배향 처리는, 도 12의 시퀸스에 나타내는 조건에서, 시료(59)를 소정 온도(본 실시예에서는 180℃)로 한 상태에서, Si기판(55)과 Al전극(60)의 사이에 200V 전압을 30분 인가하여 행하였다. 또한, 이 경우의 박막 진동자(31)의 내압을 평가하기 위해서 동시에 리크(leak) 전류를 측정하였다. 또한, 이 배향 처리의 조건은, 강유전체가 상유전체로 변화되는 전위 온도인 퀴리 온도가 P(VDF/TrFE)인 경우 180℃이라는 점에서 결정했다.
그 결과, 박막 진동자(31)의 막 두께가 10㎛인 시료에서는, 전압이 200V에 달하기 전인 119.5V에서 박막 진동자(31)가 파괴되어, 실질적으로 Al전극(60)과 Si기판(55)이 쇼트를 일으키는 것을 확인하였다(도 13). 이에 반해 박막 진동자(31)의 막 두께 12㎛인 시료에서는, 200V 전압을 걸고 있는 30분 동안에 리크 전류는 작은 채로 추이되어, 정상으로 배향 처리를 행할 수 있었던 것을 확인하였다(도 14). 이로써, P(VDF/TrFE)로 구성한 박막 진동자(31)에서 확실하게 배향 처리를 행할 수 있다는 것을 알았다. 또한, 박막 진동자(31)의 막 두께에 대해서는, 형성 조건 등을 더 검토함으로써, 보다 얇은 막 두께로도 상기한 배향 처리를 행할 수 있을 것이라 추측할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 해서 얻어진 시료에 대해서 삽입 손실의 주파수 특성을 계측하였다(도 15). 이 결과로부터, 공진 주파수가 샤프함으로써 박막 진동자(31)로부터의 발진이 확인되었다.
또한, 도 16도에 상기한 바와 같이 해서 얻어진 시료로 측정한 스미스 차트를 나타낸다. 이 결과로부터, P(VDF/TrFE)로 구성한 박막 진동자의 공명 임피던스를 50Ω으로 설정할 수 있음을 확인할 수 있었다.
또한, 도 12의 배향 시퀸스에 있어서, Si기판(55)과 Al전극(60)과의 사이에 전압을 인가하지 않는 경우에도, 상기 전압 인가의 경우에 비해 약하지만, 도 15와 마찬가지의 공진이 확인되어, 전압 인가가 없는 배향 시퀸스라도, 전장 인가가 있는 배향 시퀸스(도 12)에서 얻어진 배향성에 준하는 배향성을 갖는 사용 가능한 박막 진동자가 작성 가능하다는 것이 실증되었다.

Claims (12)

  1. 실리콘 웨이퍼에 초음파 발진부와 초음파 수신부를 형성한 실리콘 시료와,
    상기 실리콘 시료에 대하여 외부 자장을 인가하는 자력 발생 수단과,
    상기 실리콘 시료를 50K 이하의 온도영역으로 냉각 가능한 냉각 수단과,
    상기 초음파 발진부로부터 발진된 초음파 펄스와, 상기 초음파 펄스를 상기 실리콘 웨이퍼 안에 전파시켜 상기 초음파 수신부에서 수신한 측정파 펄스와의 위상차를 검출하는 검출 수단을 구비하고,
    상기 초음파 발진부 및 상기 초음파 수신부는,
    상기 온도 영역에서 온도강하에 따른 실리콘 웨이퍼의 팽창에 추종할 수 있는 물성을 갖는 박막 진동자 중, 고체화할 때, 고체화 후에 가열할 때 및 고체화 후에 가열하고 냉각할 때 중 어느 하나에 있어서 분자축의 배향이 발생하는 성질을 갖는 고분자 재료로 이루어진 박막 진동자와,
    상기 박막 진동자에 전장을 인가하는 전극을 갖는 트랜스듀서를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 내에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 박막 진동자는,
    전장을 인가하여 분자축을 전장 방향으로 배향시킨 상태에서 고체화함과 동시에 전장 제거 후에도 상기 분자축의 배향이 유지되는 성질을 갖는 고분자 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 내에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    50℃ 이상 500℃ 이하의 고온 가열 상태에서 전장을 인가하여 상기 박막 진동자의 분자축을 전장 방향으로 배향시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 내에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고분자 재료는,
    PVDF 또는 P(VDF/TrFE)인 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 내에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 박막 진동자는,
    두께가 0.1∼30㎛인 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 내에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    탄성 정수 C44의 비율이 많은 결정 방위의 방향으로 상기 초음파 펄스를 전파시켜, 상기 초음파 수신부에서 측정파 펄스를 수신하여 상기 초음파 펄스와 상기 측정파 펄스의 위상차를 검출하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 내에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 박막 진동자와 상기 실리콘 시료의 표면과의 사이에 금 박막, 티탄 박막, 알루미늄 박막 및 구리 박막 중 어느 하나를 형성한 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 내에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초음파 발진부 및 초음파 수신부는, 10㎲ 이하인 펄스 폭의 초음파 펄스를 이용하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 내에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 장치.
  9. 50K 이하의 온도 영역에서 온도강하에 따른 실리콘 웨이퍼의 팽창에 추종할 수 있는 물성을 갖는 고분자 재료로 이루어진 박막 진동자를 각각 갖는 초음파 발진부와 초음파 수신부를 형성한 실리콘 시료에 대하여, 상기 박막 진동자를 고체화할 때, 고체화 후에 가열할 때 및 고체화 후에 가열하고 냉각할 때 중 어느 하나에 있어서 분자축 배향를 발생시키는 배향 처리 공정과,
    50K 이하의 온도 영역이면서 또한 외부 자장을 인가하여, 상기 초음파 발진부에서 초음파 펄스를 발진하고, 상기 초음파 펄스를 실리콘 웨이퍼 중에 전파시킨 측정파 펄스를 상기 초음파 수신부에서 수신하여, 상기 초음파 펄스와 상기 측정 파 펄스의 위상차를 검출하는 검출 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼 내에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 방법.
  10. 상기 청구항 9에 기재된 실리콘 웨이퍼 내에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 방법에 의해 상기 실리콘 웨이퍼 중에 존재하는 원자 공공을 정량 평가하는 평가 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 웨이퍼의 제조 방법.
  11. 50K 이하의 온도 영역에서 온도강하에 따른 실리콘 웨이퍼의 팽창에 추종할 수 있는 물성을 갖는 박막 진동자 중, 고체화할 때, 고체화 후에 가열할 때 및 고체화 후에 가열하고 냉각할 때 중 어느 하나에 있어서 분자축의 배향이 발생하는 성질을 갖는 고분자 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막 진동자.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 박막 진동자는,
    초음파 발진부와 초음파 수신부를 갖는 검출 수단과,
    실리콘 웨이퍼에 상기 초음파 발진부와 상기 초음파 수신부를 형성한 실리콘 시료와,
    상기 실리콘 시료에 대하여 외부 자장을 인가하는 자력 발생 수단과,
    상기 실리콘 시료를 50K 이하의 온도 영역으로 냉각 가능한 냉각 수단을 구비한 실리콘 웨이퍼 중에 존재하는 원자 공공의 정량 평가 장치의 상기 초음파 발진부 및 상기 초음파 수신부에 이용하고,
    전장을 인가해서 분자축을 전장 방향으로 배향시킨 상태에서 고체화함과 동시에 전장 제거 후에도 상기 분자축의 배향이 유지되는 성질을 갖는 고분자 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 박막 진동자.
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