Методи та апаратура контролю структурно-геометричної досконалості напівпровідникових матеріалів та структур в умовах їх серійного виробництва

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ

ОКСАНИЧ АНАТОЛІЙ ПЕТРОВИЧ

УДК 621.315.59:546.28

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

МЕТОДИ ТА АПАРАТУРА КОНТРОЛЮ СТРУКТУРНО-ГЕОМЕТРИЧНОЇ ДОСКОНАЛОСТІ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ МАТЕРІАЛІВ ТА СТРУКТУР В УМОВАХ ЇХ СЕРІЙНОГО ВИРОБНИЦТВА

Спеціальність 05.27.06 - Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки

Харків - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі комп'ютеризованих систем автоматики Кременчуцького інституту економіки та нових технологій.

Науковий консультант - доктор фізико-математичних наук, професор, Гордієнко Юрій Емельянович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри мікроелектроніки, електронних приладів та пристроїв.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, Невлюдов Ігор Шакірович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри технології та автоматизації виробництва радіоелектронних і електронно-обчислювальних засобів;

доктор технічних наук, професор, Костенко Віталій Леонідович, Запорізька державна інженерна академія, професор кафедри фізичної та біомедичної електроніки;

доктор фізико-математичних наук, професор, Новіков Микола Миколайович, Національний університет ім. Тараса Шевченка, професор кафедри фізики металів.

Провідна установа - Науково-технологічний концерн “Інститут монокристалів” НАН України, Інститут монокристалів.

Захист відбудеться 25.09.2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.03 при Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166 м. Харків, пр. Леніна, 14, ауд.13.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна,14.

Автореферат розісланий 22.08.2002р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Г.І. Чурюмов.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Завдяки своїм унікальним властивостям, необмеженим природним запасам вихідної сировини, комерційній доступності, технологічності вирощування і механічної переробки на пластини монокристалічний кремній залишається головним і переважним серед усіх напівпровідникових матеріалів у приладобудуванні та електронній техніці.

Промислове одержання монокристалів кремнію засноване головним чином на методі Чохральського. Одна з найважливіших задач технології кремнію - одержання кристалів великого діаметру -- виникла з вимог до всілякого зниження вартості мікросхем шляхом виготовлення їх груповими методами на великій поверхні. За останні 20 років у цьому напрямку досягнуті значні успіхи в Україні. Діаметр промислових монокристалів кремнію збільшився з 40 до 100 мм. Отримано кристали діаметром 125-160 мм і розв'язуються питання промислового одержання кристалів діаметром 200 мм.

Однак у технології вирощування монокристалів великих діаметрів (понад 100 мм) дотепер не повністю розв'язані питання поліпшення однорідності електрофізичних властивостей монокристалів по об'єму. Забруднення з тиглю викликають появу різних локальних структурних недосконалостей: преципітатів, включень полікристалічних зерен, двійникових границь, дислокаційних петель, кластерів різного типу, які, адсорбуючи електроактивні домішки, утворюють у кристалі мікрооб'єми підвищеної провідності, що різко погіршує якість кремнію. Для успішної боротьби з дефектами цього виду необхідно детальне вивчення причин і механізмів їх виникнення, класифікація та ідентифікація по типах.

Розроблення і виготовлення ВІС, що призвело до зростання діаметру зливка вихідного монокристалічного кремнію до 200 мм, у свою чергу вимагає розроблення нових промислових експресних методів контролю як структурно-геометричних параметрів вихідних матеріалів, так і контролю цих параметрів на вихідному контролі.

Особливо актуальною при переході до діаметру зливків кремнію 100-200 мм стала задача розроблення автоматизованих систем вирощування структурно-досконалих зливків кремнію, які враховують проблеми тепломасоперенесення, температурних градієнтів, що виникають при рості зливків кремнію великого діаметру.

Дослідження і розроблення в області напівпровідникового матеріалознавства ускладнюються тим, що на етапах створення нових електронних пристроїв важко, а часом і неможливо чітко сформулювати технічні вимоги до якості напівпровідникових матеріалів, оскільки зв'язок між їх властивостями і властивостями приладів у багатьох випадках носить стохастичний характер, і виявити кореляцію між ними можна лише в результаті статистичного аналізу великих обсягів інформації, отриманої в процесі дослідження і промислового виробництва матеріалів і виробів електронної техніки. З цієї точки зору організація нового напряму в науці - електронного матеріалознавства в тісному взаємозв'язку з розробленнями приладів електронної техніки виявилася ефективним заходом забезпечення галузі матеріалами необхідної якості.

Тому сьогодні особливо актуальною для розвитку електронного матеріалознавства є проблема створення методів і орієнтованої на включення в технологічні процеси апаратури контролю для забезпечення структурної досконалості напівпровідникових монокристалічних зливків, пластин і епітаксіальних структур великого діаметру в умовах їх серійного виробництва.

Таким чином, створення методів і промислової апаратури для контролю і підтримки структурної якості напівпровідникових матеріалів і структур діаметром 100-200 мм є самостійною проблемою, розв'язанню якої присвячена дана дисертація.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні положення і результати роботи використані в: міжвідомчій науково-технічній програмі “Нанофізика та наноелектроніка” (розпорядження КМУ від 14.03.2001 р., № 85-р ), науково-технічній програмі “Електроніка 2005” (постанова КМУ від 29.11.2000 р., № 1754 ), щорічних планах НДР і ДКР ВАТ “Чисті метали”, у госпдоговірній НДР кафедри комп'ютеризованих систем автоматики Кременчуцького інституту економіки та нових технологій по темі “Автоматизована система керування процесом вирощування монокристалів кремнію методом Чохральського (АСУ “Кремінь”)” (госпдоговір № 4/20 ВП від 30.08.1999 з ВАТ “Чисті метали”), внутрівузівській НДР “Розробка системи аналізу фізичних параметрів за допомогою кольорового телевізійного зображення”.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи - розроблення науково-обґрунтованих експресних методів контролю деформацій, механічних напруг, структурної досконалості і створення на їх основі вимірювального та ростового устаткування та апаратури для контролю структурної досконалості напівпровідникових кристалів як у процесі вирощування, так і на вихідному контролі.

Досягнення поставленої мети забезпечується в результаті розв'язання наступних задач:

розроблення методів і апаратури промислового контролю внутрішніх напруг у напівпровідникових пластинах та структурах;

розроблення принципів підвищення точності лазерних методів вимірювань внутрішніх напруг;

експериментальне визначення п'єзооптичних коефіцієнтів напівпровідникових матеріалів;

розроблення неруйнівного, високоточного методу вимірювання щільності дислокацій у напівпровідникових пластинах та структурах;

теоретичне обґрунтування і розроблення фізичних принципів визначення механічної жорсткості та низькотемпературних методів модифікації структурної досконалості для кремнієвих пластин;

розроблення принципів конструювання апаратури для вимірювання геометричних параметрів напівпровідникових пластин і структур безконтактним методом;

розроблення методів побудови пристроїв дистанційного контролю температури розплаву в установках вирощування зливків кремнію методом Чохральського;

розроблення методів і пристроїв вимірювання рівня розплаву кремнію в установках вирощування зливків кремнію методом Чохральського;

розроблення високоточних методів підтримки діаметра затравки і зливка монокристалічного кремнію різної орієнтації;

розроблення принципів побудови автоматизовано-аналітичної системи вирощування структурно-досконалих зливків кремнію великого діаметру.

Об'єктом досліджень є процес вирощування монокристалів напівпровідникових матеріалів (зокрема, кремнію та арсеніду галія) і формування якісних напівпровідникових пластин та епітаксіальних структур для мікроелектронної техніки.

Предмет досліджень: методи і апаратура контролю деформацій механічних напруг, густини дислокацій в напівпровідникових пластинах та епітаксіальних структурах, параметрів, технології вирощування монокристалів; наукове обґрунтування принципів побудови автоматизованої системи вирощування структурно досконалих монокристалів напівпровідників.

Виконані дослідження базувалися на фундаментальних положеннях: теорії твердого тіла, теорії пружності, теорії фотопружності, технології напівпровідникових матеріалів, апарату математичного аналізу, комп'ютерних технологій.

Дослідження провадилися з використанням сучасної лазерної, телевізійної і комп'ютерної техніки. Роботи провадилися з використанням технологічної бази ЦЗЛ ВАТ “Чисті метали” по вирощуванню монокристалів кремнію методом Чохральського, виробництву кремнієвих структур з діелектричною ізоляцією КСДІ та одношарових епітаксіальних структур КОЕС.

Наукова новизна отриманих результатів.

Розроблені ІК метод і апаратура прямого визначення різниці головних напруг і їх азимута для пластин кремнію орієнтацій (111) та (100) на основі теоретичного аналізу роботи полярископа з обертовим аналізатором і комп'ютерною обробкою.

Розроблено метод підвищення точності вимірювання внутрішніх напруг у кремнієвих пластинах, що базується на застосуванні в єдиній оптичній схемі сполучення схрещеного і паралельного полярископів без будь-яких взаємних регулювань оптичних кутів у процесі вимірювання. Для реалізації методу створена нова промислова апаратура “Мираж-1” і “Мираж-2”. У полярископах для контролю внутрішніх напруг “Мираж-2” уперше був використаний ІЧ напівпровідниковий GaAlAs лазер (=1,3 мкм), а для синхронної фільтрації, детектування і подальшого оброблення сигналів вимірювальної інформації розроблені цифрова і комп'ютерна технології, які дозволили досягти підвищення чутливості апаратури при визначенні різниці головних напруг 7*10³ Па.

Розроблено нову методику атестації полярископів на основі каліброваного навантаження і спеціально відібраних кремнієвих зразків, що не містять механічних напруг. У результаті використання цієї методики отримані уточнені значення п'єзооптичних коефіцієнтів, (за значеннями яких у літературі є значні розбіжності):

На основі теоретичних співвідношень для полів внутрішніх напруг і щільності дислокацій встановлено і підтверджено експериментально зв'язок між ними .

Експериментально досліджені зміни різниці головних напруг ₁ - ₂ з координатою по діаметру КОЕС. Показано, що залежно від технологічних режимів максимуми напруг ₁ - ₂ можуть бути як у центрі, так і на периферії КОЕС, причому на краю КОЕС різниця напруг ₁ - ₂ прямує до нуля.

На основі великої статистики контролю внутрішніх напруг у пластинах Si, GaAs в умовах серійного виробництва встановлені типові розподіли головних напруг по діаметру і їх залежність від технологічних режимів.

Теоретично доведено та експериментально підтверджено, що на стадії епітаксіального нарощування можливе катастрофічне збільшення щільності дислокаційних напівпетель за рахунок впливу термічних градієнтів і викликаних ними термопружних напруг.

Вперше у світовій практиці встановлена закономірність розподілу різниці головних напруг уздовж діаметра для КСДІ. Показано, що причиною аномально високих напруг є пов'язані з порушенням технології термоудари. Зроблено класифікацію термоударів і отримано критерії, що відповідають порушенням технології виробництва КСДІ.

На створеній апаратурі “Сигма-3” досліджено взаємозв'язок між вигином пластин і внутрішніми напругами, і був уперше виявлений новий ефект часової зміни вигину пластин після прикладання імпульсу напруги з високою швидкістю, що пояснюється явищем “псевдодеформації” і “псевдопластичного зрушення”.

Показано, що серед пластин, які випускаються серійно, 20-30% мають метастабільні стани нестійкості вигину. Запропоновано спосіб модифікації структурної досконалості кремнієвих пластин, що сприяє зменшенню їх вигину на різних стадіях виготовлення, включаючи і готову продукцію.

Для підвищення ефективності методик контролю геометричних параметрів розроблено основний елемент вимірювальних систем -- мікросиловий компаратор. Його мініатюрність і мінімально необхідне вимірювальне зусилля дозволило створити й атестувати ряд методик сумарного відхилення від площинності і паралельності у вільному стані (СВППс) та сумарного відхилення від площинності і паралельності при вакуумному навантаженні (СВППв) для безконтактного вимірювання профілю складнодеформованих кремнієвих структур.

Досліджено особливості деформацій кремнієвих структур у вільному стані і при вакуумному навантаженні та з урахуванням анізотропії пружних властивостей кремнієвих структур. Розроблено ряд (сім'ю) нових промислових установок “Экспресс-3”, “Экспресс-4”, “Экспресс-5” для експресного контролю геометричних параметрів кремнієвих структур як у виробничому, так і на вихідному контролі.

Теоретично досліджено умови утворення поздовжніх температурних градієнтів у теплових вузлах установок типу “Редмет-30”. Розроблено метод підтримки рівня розплаву кремнію в тиглі.

Вивчено особливості розподілу і контролю температури розплаву в установках вирощування кремнію методом Чохральського. Розроблено методи побудови пристроїв контролю температури за допомогою пірометричних перетворювачів з використанням кремнієвих світлофільтрів і електромеханічних модуляторів.

На основі аналізу відеозображення зони переходу меніск-монокристал розроблено алгоритм вимірювання і високоточний метод підтримки діаметру затравки і зливка монокристалічного кремнію різної орієнтації в умовах промислового виробництва.

Описано принципи побудови інформаційно-аналітичних систем керування для встановлення оптимальних глобальних теплових режимів росту кристалів з метою вирощування бездефектних зливків кремнію великого діаметру. Розроблено автоматизовану систему керування АСУ “Кремінь” для реалізації цих принципів.

Проведені дослідження, отримані в роботі результати, обґрунтовані наукові положення, розроблена і впроваджена у виробництва унікальна апаратура являють собою основу нового науково-технічного напряму - створення апаратури і методик контролю геометричних параметрів, внутрішніх напруг, структурної досконалості, а також пристроїв вирощування зливків кремнію великого діаметру з метою їх автоматизації та значного усунення численних дефектів росту.

Практичне значення отриманих результатів полягає в розробленні та атестації промислових методик контролю геометричних параметрів напівпровідникових пластин і структур; розробленні та атестації промислових методик контролю щільності дислокацій у напівпровідникових пластинах і структурах; розробленні й атестації промислових методик контролю внутрішніх напруг і жорсткості напівпровідникових пластин та структур; розробленні конструкторської документації та організації промислового випуску серії вимірювальних установок “Экспресс”, “Номинал” для контролю геометричних параметрів напівпровідникових пластин і структур; розробленні конструкторської документації та організації промислового випуску установок “Мираж-1”, “Мираж-2”, “Сигма” для контролю внутрішніх напруг, щільності дислокацій і жорсткості у напівпровідникових матеріалах; розробленні конструкторської документації та організації промислового випуску автоматизованої системи АСУ “Кремінь” для вирощування бездефектних кристалів кремнію діаметром 150 мм. напівпровідниковий апаратура механічний

Розроблені методики вимірювання, вимірювальні і технологічні установки були впроваджені у виробництво на ВАТ “Чисті метали” м. Світловодськ.

Практична реалізація результатів дисертаційної роботи підтверджується актами про впровадження.

Особистий внесок здобувача. Автором дисертації в роботах [1,4] запропонована конструкція вимірювального (базового) столу з розміщенням у ньому певним чином дискретних перетворювачів (мікросилових компараторів), а також схема вимірювання геометричних параметрів з вакуумним навантаженням; у [2,6] - запропонована конструкція та оптична схема інфрачервоного полярископа та отримана залежність розподілу внутрішніх напруг і структурних дефектів при різних технологічних режимах вирощування зливків кремнію, арсеніду галію та обробки їх пластин і структур; у роботі [3] отримана залежність, яка базується на визначенні внутрішньої напруги через зусилля, прикладене для вирівнювання пластини, розроблена конструкція плаваючого опорного диску; у роботі [5] розроблена оптична схема поляризаційної установки і досліджена залежність магнітооптичного обертання і кругового дихроїзму вузькозонних напівпровідникових матеріалів; у роботах [7,8] - розроблені теоретичні обґрунтування методу фотопружності стосовно до напівпровідникових матеріалів, визначені коефіцієнти чутливості кремнієвих пластин орієнтації (100) і (111) до внутрішніх напруг, розроблена оптична схема автоматичного поляриметра, досліджені розподіли щільності дислокацій; у [9] - визначені шляхи зниження порогу чутливості при вимірюванні внутрішніх напруг у напівпровідниках, запропоновано метод, що дозволяє знизити чутливість визначення різниці головних напруг до 7*10³ Па; у [11] - зроблено аналіз головних напрямків у процесі одержання високоякісних напівпровідникових матеріалів на базі GaAs для електронної техніки; у роботах [12,13,14,15] проведено теоретичний аналіз умов вирощування структурно-досконалих зливків кремнію методом Чохральського, визначені фактори, які впливають на процеси тепломасоперенесення, розроблено загальний алгоритм побудови автоматизованих систем керування вирощуванням зливків кремнію великого діаметру, що складається з двох інформаційно-керувальних підсистем: підсистеми “діаметр” і підсистеми “температура”; у роботі [17] розроблена схема і визначені основні співвідношення для скануючого пірометра, що працює з термоелектронним перетворювачем; у роботі [18] обґрунтована і запропонована конструкція телевізійного методу контролю рівня розплаву кремнію в тиглі в промислових установках “Редмет-30”; у роботі [19] - розроблено алгоритм і запропоновано фізичну модель процесу вирощування структурно-досконалих зливків кремнію великого діаметру, визначені фактори і їх взаємозв'язок в умовах стабільного процесу тепломасоперенесення; в авторських посвідченнях [22,23,24,25,26] - розроблені конструкції вимірювальних столиків, давачів переміщення, мікросилових компараторів і визначені алгоритми схем вимірювання геометричних параметрів напівпровідникових пластин і структур з урахуванням складних форм деформації.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертації доповідалися та обговорювалися на: Міжнародному симпозіумі з метрики напівпровідників (м. Варшава, 1986 р.); Міжнародній конференції з вирощування епітаксіальних структур (м. Софія, 1987 р.); 3-й Всесоюзній НТК “Технологія одержання і матеріалознавство монокристалів кремнію” (м. Москва, 1982 р.); 3-й Всесоюзній НТС (м. Рига, ФЕ і АІ, 1982 р.); науково-технічних конференціях Міністерства електронної промисловості СРСР у 1985 - 1990 р.; 6-й міжнародній конференції “Теорія і техніка передачі, прийому і обробки інформації” (м. Харків, 2000 р.); ІІІ міжнародній науково-технічній конференції “Вимірювальна і обчислювальна техніка в технологічних процесах” (м. Хмельницький, 2001 р.); 4-й міжнародній конференції “Ріст кристалів і тепломасоперенос” (ICSS-01) (м. Обнинськ, Росія, 2001 р.); міжнародних науково-технічних конференціях “Проблеми створення нових машин і технологій” (м. Кременчук, 2000 р., 2001 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 27 наукових працях. З них 21 - у виданнях, затверджених ВАК України, 5 - авторських посвідчень, 1 декларативний патент. Отримано 2 посвідчення на промисловий зразок, 3 медалі ВДНГ СРСР.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, списку використаних джерел і додатків. Містить 276 стор. машинописного основного тексту, 106 рисунків, 8 таблиць, список використаних джерел з 148 найменувань, додатки наведені на 18 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі визначено актуальність теми дисертації, її важливе значення для народного господарства України. Сформульовано мету і задачі дослідження, розкрито наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, показано особистий внесок здобувача, а також дані про впровадження, апробацію та публікацію основних матеріалів.

Перший розділ присвячений аналізу та формулюванню вимог, які пред'являються до кремнієвих структур та пластин, застосовуваних в виробництві інтегральних мікросхем (ІС). Розглянуті особливості дефектоутворення в напівпровідникових матеріалах на різних технологічних стадіях вирощування (різання, дифузія, окислення, епітаксія). Наведено порівняльний аналіз внутрішніх напруг в кремнієвих структурах (КС) та розглянуто особливості їх контролю в серійному виробництві. Проведено порівняльний аналіз фізико-механічних характеристик конструктивних шарів в ІС.

Показано, що внутрішні напруги, які виникають через порушення технології при високотемпературній обробці (термоудар), призводять до складних форм деформації. З їх урахуванням, а також у зв'язку з підвищеними вимогами процесів фотолітографії до геометричних параметрів КС та вимогами технологічних процесів до структурної досконалості поверхні КС істотного економічного ефекту при виробництві ІС можна досягнути лише за рахунок 100 % неруйнівних експресних методів контролю структурної досконалості та геометричних параметрів КС.

Виконаний аналітичний огляд існуючих промислових способів отримання зливків кремнію для КС, які виробляються методом Чохральського, показав його значні переваги, зумовлені можливістю збільшення розмірів кристалів (150-300 мм), досягненням підвищених вимог до структурної досконалості, однорідності електрофізичних параметрів, вмісту рівня кисню та інших домішок. Однак, як показують проведені дослідження, при переході до вирощування кристалів кремнію діаметром 100-200 мм в них через порушення умов тепломасоперенесення виникає цілий ряд мікродефектів, названих A, B, C, D - мікродефектами. Для їх усунення необхідно створити автоматизовані інформаційно-аналітичні комплекси для вирощування структурно-досконалих зливків кремнію діаметром 100-200 мм.

Аналіз робіт, виконаний в області електронного матеріалознавства, методик та апаратури для контролю структурної досконалості геометричних параметрів кремнієвих зливків та пластин, дозволив визначити мету та задачі дисертації, накреслити шляхи розв'язання поставлених задач.

Другий розділ присвячений математичному аналізу співвідношень методу фотопружності в інфрачервоній області спектру для контролю внутрішніх напруг в напівпровідникових матеріалах. Проведений аналіз методу фотопружності дозволив визначити головні значення діелектричної непроникності та , що в свою чергу дало можливість вперше визначити значення головних показників заломлення і , а також їх різницю і чутливість кремнієвої пластини до внутрішніх напруг.

Оскільки кремнієві пластини з орієнтацією ізотропні за своїми п'єзооптичними властивостями і головні напрямки збігаються з головними напругами, то чутливість пластини до внутрішніх напруг буде дорівнювати:

За допомогою виведених співвідношень можна визначити всі компоненти плосконапруженого стану для кремнієвих пластин.

Для якісного та кількісного контролю внутрішніх напруг в напівпровідниках розроблена установка “Мираж-1”. Для візуалізації картини подвійного променезаломлення в ближній області ІЧ-спектру в ній використовується телевізійна система з ІЧ-відіконом. Для розв'язання більшості дослідницьких та практичних задач при вимірюванні внутрішніх напруг в напівпровідникових матеріалах в роботі розроблена автоматизована установка “Мираж-2”, яка дозволяє виконувати сканування пластин за будь-яким заданим законом, забезпечує автоматизацію збирання та оброблення первинної інформації про об'єкт вимірювання та подання результатів вимірювання у зручному для аналізу вигляді.

Для зниження порогу чутливості при вимірюванні внутрішніх напруг в роботі запропонована оптична схема схрещеного полярископа, в якій як джерело випромінювання застосовано напівпровідниковий GaAlAs-лазер з мкм. Застосування нової оптичної схеми, напівпровідникового лазера та сучасних електронних схем дозволили довести чутливість установки “Мираж-2” при вимірюванні різниці головних напруг до рівня 7*10³ Па.

Значення п'єзооптичних коефіцієнтів навіть для такого добре вивченого матеріалу як , наведені різними авторами, різні. Тому в роботі розроблено прямі експериментальні методи випробувань кристалів з відомими залишковими або зовнішніми напругами для перевірки калібрування та атестації установок типу “Мираж-2”.

Ця напруга в центральній області практично не залежить від протяжності та геометрії області докладання навантажувального зусилля, якості оброблення твірної диску та деяких відхилень його форми від ідеальної. Зразок встановлювався на установці “Мираж-2” перед обертовим аналізатором і навантажувався одноосним зусиллям Р. Як зразки для вимірювання використовувались кремнієві пластини КДБ-10 діаметром 40 мм і товщиною 400 мкм та круглі пластини GaAs марки САГОЧ діаметром 40 мм та товщиною 800 мкм.

Численні експерименти з епітаксіальними структурами показують, що різниця головних напруг залежить тільки від радіусу пластини . Це дає можливість вважати поля внутрішніх напруг центральносиметричними і користуватися полярною системою координат та при визначених перетвореннях отримати вираз для щільності дислокацій:

Методика визначення щільності дислокацій, підрахована таким чином, має похибку менше 15 % і неруйнівний характер.

В третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень внутрішніх напруг КС.

Одним з основних елементів для виготовлення радіаційно-стійких електронних пристроїв та ІС, що застосовуються у спецтехніці, є кремнієві структури з діелектричною ізоляцією (КСДІ).

Основними частинами такої структури є острівки монокристалічного кремнію 1, Si - полікристалічна підкладинка - 2 і діелектрична ізоляція 3. При явній перевазі КСДІ (висока ізоляція “кишень” шаром SiО₂ високою радіаційною стійкістю) до недоліків слід віднести багатопозиційні процеси термообробки, багатошаровість структури. В результаті створюються умови для виникнення значних термічних напруг та розмноження дислокацій, особливо у випадку так званих “термоударів”, коли напруги, які виникають, перевищують гранично припустимі, відбувається викривлення КСДІ, з'являються мікротріщини, пластична деформація. Для створення оптимальних технологічних процесів на установках “Мираж-1”, “Мираж-2” досліджені розподіли двопроменезаломлення залежно від технології проведення термопроцесів та створені “карти” двопроменезаломлення.

В роботі проведено дослідження механічної жорсткості КС для вивчення їх взаємозв'язку з внутрішніми напругами. Дослідження провадились на розробленій нами установці “Сигма-3”. В установці використовується примусовий вигин пластин за рахунок відкачування повітря з порожнини, одну зі стінок якої закриває досліджувана пластина, що спирається на кільцеву опору. Вимірювання вакууму виконується тензодавачем, а вигин пластин по центру контролюється індуктивним давачем переміщення. Сигнали з виходу давача розрядження і давача переміщення подаються на двокоординатний самозаписувач, що дозволяє автоматично записувати залежність вигину від навантаження і таким чином визначати область, де формули теорії пружного вигину пластин в лінійному наближенні справедливі.

Виявлено, що в зразках з високим рівнем внутрішніх навантажень жорсткість пластини пропорційна величині і помітно змінюється. Це явище можна пов'язати зі збільшенням сили протидії вигину за рахунок впливу пружних полів і ліній дислокацій.

Проведені дослідження покладені в основу запропонованого нами способу контролю внутрішніх напруг. Наявність внутрішніх напруг визначається за величиною похідної при заданому тиску , який не перевищує межу міцності використовуваних пластин.

У процесі досліджень було виявлено нове явище: зміна форми (вигину) напівпровідникових пластин після прикладання імпульсу навантаження з високою швидкістю. П-подібний імпульс навантаження створюється різким вмиканням і вимиканням вакуумного навантаження. Форму (вигин) деформації пластини визначають на установці "Експрес-4" до прикладання імпульсу безпосередньо після прикладання імпульсу і через деякий інтервал часу.

Значення глибини порушеного шару для шліфованих підкладинок (4 - 13 мкм) і полірованих підкладинок (0,1 - 0,7 мкм) узгоджується з відомими даними.

Отримані в наших роботах результати показують, що кінцева і дуже помітна швидкість руху дислокацій існує при кімнатній температурі, якщо в пластинах при більш високих температурах відбулося пластичне зрушення, тобто при досить високій щільності дислокацій 10⁵ см^-2. При цьому від впливу механічних нагрузок може спостерігатися перерозподіл дислокацій і відповідно - механічних напруг.

З врахуванням цих явищ по-новому ставиться питання про контроль вигинів напівпровідникових пластин і структур. Пластина, що зазнає пластичного вигину, знаходиться в метастабільному стані, який виникає при деяких значеннях залишкових напруг, певним чином розподілених в об'ємі напівпровідникових пластин. Результати повторних вимірювань вигину таких пластин мають низьку збіжність (випадкова складова похибки вимірювання може досягати 50 % і більше). Разом з тим в об'ємі готової продукції структури з метастабільними станами геометричних параметрів складають 20...30 %.

Відтворюваність вимірювань можна значно підвищити після попереднього динамічного оброблення напівпровідникових пластин, яке полягає в періодичному обробленні пластин динамічним навантаженням на плоскій поверхні. Таке оброблення забезпечує перерозподіл напруг у більш стійку форму так, що при повторних вимірюваннях вони практично не змінюються. При цьому похибка вимірювань зменшується в 3-4 рази і виключається відбраковування частини придатної продукції,

Проведені дослідження дозволили запропонувати спосіб модифікації кристалічної структури КС, що сприяє зменшенню вигину КС на різних стадіях їх виготовлення, включаючи і готову продукцію.

На відміну від відомих високотемпературних (100°С) способів "вирівнювання" вигинів шляхом стискання пакету пластин між жорсткими і плоскопаралельними поверхнями модифікацію форми напівпровідникових пластин з використанням твердих поверхонь виконують автоматично навантаженням кожної пластини при кімнатній температурі послідовними циклами імпульсного формування по кільцевій площині, а потім сферично задавальними поверхнями в сполученні з повторним базуванням напівпровідникових пластин між циклами формування і проміжною оцінкою ефективності формування. Оцінку ефективності формування виконують шляхом вимірювання вихідного вигину d₁ і вимірюванням залишкового значення d₂ і d₃ після формування через інтервал часу різної тривалості.

Четвертий розділ присвячений розробці методів і апаратури для контролю геометричних параметрів напівпровідникових пластин і структур. З огляду на залежність модуля Юнга і коефіцієнта Пуассона від кристалографічних напрямів у кремнієвій пластині, орієнтованій в площинах (100) і (111) деформація пластин має складну форму, пов'язану з анізотропією цих пружних сталих, у роботі була запропонована методика і пристрій для неруйнівного контролю складнодеформованих КС. Одним з основних елементів, розроблених у роботі для реалізації перелічених методів, є мікросиловий компаратор (МСК).

Для контролю переміщення вимірювальних голівок або пристроїв позиціювання (вакуумних столиків) у роботі розроблено індуктивний перетворювач лінійних переміщень осьової дії.

Застосування двох давачів - МСК і індуктивного (аналоговий перетворювач) дозволило розробити цілий комплекс вимірювальних пристроїв для контролю усіляких форм деформацій напівпровідникових пластин різноманітної геометричної форми.

У п'ятому розділі розглянуті принципи побудови пристроїв контролю температури. В даний час на вітчизняних ростових установках типу РЕДМЕТ температура розплаву кремнію контролюється побічно по температурі резистивного нагрівача, хоч зв'язок між цими температурами неоднозначний, тому що залежить від багатьох факторів, вплив яких складно, а деяких і неможливо, контролювати і врахувати заздалегідь. Такими факторами є вихідна маса завантаження сировини в тигель, поточні значення діаметру, маси і швидкості вирощування зливка і т.д. Зазначені фактори призводять до невідтворюваності теплових умов вирощування від процесу до процесу і, як наслідок, до залежності якості отриманого зливка від суб'єктивного фактору - досвіду оператора ростової установки.

Вимірювання температури розплаву контактним способом, тобто шляхом введення в розплав давача температури у вигляді термопари чи терморезистора, не можливе.

Об'єктив Об1 формує в площині діафрагми, висвердленої в дзеркалі З1, зменшене зображення об'єкта вимірювання. Частина випромінювання, що не пройшла через діафрагму, відбивається від площини дзеркала, і спрямовується дзеркалом З2 через окуляр Ок на сітківку ока спостерігача. Спостерігач бачить темне зображення діафрагми на світлому фоні і здійснює візування пірометра на ділянку об'єкта, що нас цікавить. Випромінювання, що пройшло через діафрагму, формується коліматорним об'єктивом К в паралельний пучок, який проходить через диспергуючий елемент - дифракційну решітку Р. У фокальній площині F-F об'єктива Об2 формується зображення спектра випромінювання вимірюваного об'єкта. Приймач випромінювання П може пересуватися паралельно фокальній площині, фіксуючи інтенсивність випромінювання в окремих вузьких спектральних областях. Переміщення фотоприймача здійснюється електродинамічним приводом, порушуваним імпульсами струму фіксованої амплітуди з частотою 12,5 Гц. З оптичної точки зору пірометр фактично являє собою спрощений спеціалізований спектрофотометр. Зворотна дисперсія приладу , що показує, яка ділянка спектра розміщується на ділянці завширшки l фокальної площини складає величину порядку 0,15 мкм/мм. Як фотоприймач використаний фоторезистор ФР1-З на основі PbS. Область максимальної чутливості фоторезистора (_мах=1,5...1…1,8мкм) добре узгоджується зі значеннями _мах у діапазоні температур від 1300 до 1500С. Відносно різкий спад спектральної чутливості на ділянках спектра і сприяє підвищенню чутливості пірометра. Випромінювання з довжиною хвиль затримується кремнієвим світлофільтром товщиною 400 мкм із матеріалу КДБ-10. Одночасно усувається накладення дифракційних спектрів вищих порядків. Ширина чуттєвої площадки фоторезистора складає , що відповідає ширині спектрального діапазону випромінювання , яка фіксується одночасно. Для підвищення чутливості випромінювання модулюється електромеханічним модулятором на частоті близько 1,5 кГц. Модулятор являє собою обертовий диск з отворами, встановлений перед діафрагмою.

Макет пірометра, виконаний на основі телескопу від серійного пірометра типу ПЧД4-131, піддавався іспитам за допомогою температурної лампи II розряду.

Розділ шість присвячений аналізу процесів тепломасоперенесення і розроблення автоматизованих систем вирощування структурно-досконалих зливків кремнію великого діаметра методом Чохральського.

В існуючих установках вирощування типу “Редмет” температура розплаву безпосередньо не контролюється, її значення підтримують зміною потужності нагрівача, виходячи з тенденцій, що спостерігаються у зміні швидкості витягування . Найчастіше оператор змушений підбирати значення потужності нагрівача вручну. Це призводить до значної неконтрольованої зміни швидкості витягування на протязі процесу, флуктуації діаметра зливка, який вирощується, через що доводиться збільшувати припуск на калібрування зливка.

Значення осьового градієнта температури змінюється від у центрі зливка до приблизно на периферії. Беручи до уваги, що зміни діаметра зливка відбуваються на його периферії, варто прийняти більше значення . Через те що перегрівання розплаву під зливком, який вирощується у стаціонарному режимі складає відносно невелику величину, то складовою можна знехтувати. Отже, зміни температури розплаву в першому наближенні пропорційні змінам швидкості витягування, які спостерігаються, і зменшуються зі збільшенням коефіцієнта теплопередачі на фазовій границі, тобто зі збільшенням конвекційних потоків в тиглі. Інтенсивність конвекційних потоків у свою чергу залежить як від швидкостей обертання зливка і тигля, так і від кількості розплаву в тиглі, тобто змінюється по ходу процесу вирощування. Вимірювання температури розплаву поблизу зростаючого зливка за допомогою розробленого нами пірометра показують, що зазначене вище зменшення швидкості вирощування зумовлено збільшенням температури на величину порядку 20...30 К, поздовжній градієнт температури при цьому може зростати приблизно до 150 К/см. Похибка вимірювання температури розробленим нами пірометром не перевищує +6,5⁰С, що дозволяє зменшити коливання температури розплаву до величини такого самого порядку, тобто +6,5⁰С, введення за рахунок регулювання потужності нагрівача за результатами виміру температури в повністю автоматичному режимі. Це у свою чергу дозволяє зменшити коливання швидкості витягування і температурних градієнтів щодо оптимальних значень і поліпшити електрофізичні параметри зливків і їхній розподіл по довжині і діаметру.

Для вимірювання коливань рівня розплаву при вирощуванні зливків кремнію нами розроблений метод обробки телевізійного зображення ділянки поверхні розплаву - зони росту монокристала.

Область огляду ПЗС-камери, встановленої на оглядовому вікні нагрівальної камери, захоплює ділянку поверхні розплаву поблизу зони росту монокристала. Отримане зображення обробляється, оцифровується і передається для подальшого оброблення до комп'ютера. Ключовою частиною зображення, на аналізі положення якого на екрані і базується процес визначення поточного рівня розплаву, є образ меніска 3, відрізняється високою що формується на границі розплав 1 - монокристал 2, положення меніска, що відрізняється високою яскравість знаходиться в безпосередній залежності від рівня розплаву 1. Для оцінки висоти розташування меніска необхідно визначити номер рядка телевізійного зображення, що відображує діаметр Ds монокристала, який вирощується, перпендикулярний площині, що утворює вісь монокристала і ПЗС-камерою приймання зображення. Діаметр Ds на отриманому зображенні являтиме собою горизонтальну лінію. Таким чином, отримана лінія - проекція діаметра Ds, розташованого на поверхні розплаву меніска, - однозначно характеризує поточний рівень розплаву 1. Поточний рівень розплаву визначається через порівняння положення отриманої лінії з положенням заздалегідь обраної еталонної лінії L_p , завдяки чому визначається зсув Н1 відносно необхідного рівня. Величина рівня розплаву відносно верхнього торця нагрівача визначиться як:

,

де k - ваговий коефіцієнт, що визначає різницю в міліметрах рівня розплаву, яка припадає на один рядок (визначається практичним шляхом на етапі налагодження системи), n - кількість ліній від базової лінії до лінії верхньої границі меніска, Lp - відстань від базової лінії до верхнього торця нагрівача (мм). На підставі отриманої неузгодженості передається керуючий вплив (у вольтах) на переміщення тигля: U = f(H2). Переміщення тигля приводить до повернення рівня розплаву на оптимальний рівень. Одним з найважливіших процесів при вирощуванні структурно-досконалих зливків кремнію є метод регулювання процесу вирощування кристала шляхом контролю діаметра зливка. У роботі запропонований метод вимірювання діаметра зливка, сутність якого полягає в тому, що інформація про діаметр зливка, діаметр затравки виходить з аналізу відеозображення. Відеозображення поточного процесу вирощування зливка з телекамери вводиться в комп'ютер і потім за допомогою алгоритмів розпізнавання зображення ЕОМ видає інформацію про діаметр зливка та затравки.

На основі аналізу ліній, що скануються, робиться висновок про стадію процесу. Залежно від стадії використовується відповідний алгоритм визначення діаметру кристала у пікселях та ширина меніска. Визначена лінія є дискретною функцією, що залежить від освітленості об'єкту. Можна записати, що

Ui = f (I),

де U_i - рівень яскравості у точці i. З огляду на те, що зображення передається в градаціях сірого, величина U_i може знаходитись в діапазоні 0 255, причому значення 0 відповідає чорному кольору (мінімальній яскравості), а значення 255 - білому (максимальній яскравості). З ліній сканування видно, що зоні росту кристала відповідає різке наростання яскравості і спад яскравості, обумовлені зміною температури різних зон. Для фази розрощування шийки характерні два чітко виражених максимуми з незначним проміжком між ними, для фази розрощування конуса характерно різке підвищення яскравості, що змінюється плавним спадом, потім плавний підйом, і знову різкий спад, фаза росту циліндра характеризується наявністю "полички", обумовленої меніском, різким спадом, різким підйомом. Таким чином, для визначення фази росту монокристала і застосування відповідного алгоритму розрахунку діаметра необхідно аналізувати характер функції U_i. Краще за все це робити за допомогою визначення значення похідної. Дану функцію можна розглядати як табличну з рівнозначними інтервалами.

Задача зводиться до знаходження кроків, при яких похідна має максимальне і мінімальне значення. Різниця між мінімальними значеннями визначить діаметр шийки, якщо діаметр менший 8 мм, і циліндра, якщо діаметр більший 90 мм. Різниця між максимальними значеннями визначить діаметр конуса, різниця між максимальним і мінімальним значеннями визначить ширину меніска. Для виключення ефекту прецесії сканування виробляється по декількох лініях і знаходиться лінія з максимальним діаметром, що і приймається за дійсний для конкретного виміру. Геометричний діаметр обчислюється за формулою:

D = K*Dp,

де К - вага одного пікселя в міліметрах, Dp - кількість пікселів, що відповідають виміряному діаметру. Коефіцієнт К визначається експериментальним шляхом на етапі налагодження всієї системи, шляхом калібрування системи по зливку відомого діаметра.

Плата PCI - 1411 дозволяє одержати горизонтальний дозвіл 768 пікселів на рядок. При фокусуванні відеокамери так, щоб у зону обсягу попадала видима область нижнього краю теплового екрану ( 200 мм.), вага одного пікселя складатиме ~ 0,3 міліметра.

Таким чином, досяжна точність вимірювання діаметра на рівні одного пікселя складатиме 0,3 міліметра.

Пристрій підтвердив можливість вимірювання діаметра зливка кремнію в процесі вирощування з орієнтацією на етапах вирощування шийки, конуса і циліндричної частини з точністю 1 мм. Використовуючи оригінальні високоточні методи вимірювання діаметра зливка, ширини зони меніска, відхилення фактичного положення рівня розплаву від заданого і температури розплаву в зоні кристалізації, вдалося створити автоматизовану систему вирощування структурно-досконалих зливків кремнію - АСУ “Кремінь”.

У системі вперше реалізовані такі задачі, як:

позиціонування тигля з розплавом перед початком кожного процесу таким чином, щоб рівень розплаву знаходився на одній і тій самій заданій позначці щодо верхнього краю нагрівача (L_p);

стабілізація положення рівня розплаву на заданій позначці протягом усього процесу вирощування (вимірювання Н₁);

досягнення ідентичності температурних умов у зоні, близької до зони кристалізації (вимірювання Т_L);

регулювання температури розплаву, швидкості витягування і діаметру кристала в ході процесу відповідно до заданих функцій їх зміни по довжині кристала (вимір D_S);

можливість зміни структури системи керування без залучення її розроблювачів;

реєстрація параметрів технологічного процесу в базі даних.

У роботі побудована стохастична модель передавальних функцій, що пов'язують зміни діаметра кристала, що вирощується, зі змінами швидкості витягування і температурою розплаву поблизу зони кристалізації. При цьому використовувався економічний клас дискретних лінійних моделей передавальних функцій вигляду

,

де - зміна діаметру кристала, - зміна швидкості витягування (чи температури розплаву), - шум.

Для оцінювання моделей використаний метод Марквардта. Використання розроблених стохастичних моделей дозволило оптимізувати процес керування контролю діаметра зливків кремнію.

ВИСНОВКИ

Аналіз існуючої технології виробництва інтегральних схем на різних стадіях (різання, дифузія, окислення, епітаксія) показав, що на цих стадіях виникають значні внутрішні напруги, які призводять до утворення дефектівна на поверхні кремнієвих структур, а порушення технології призводять до складних форм деформації КС.

У результаті порушень технології вирощування зливків кремнію великого діаметру в кристалах з'являються “свірл-дефекти”, що є спіралями або кільцями, які складаються з дискретних мікродефектів.

Більшість методів, що застосовуються при визначенні структурних недосконалостей (дислокації, мікродефекти, лінії ковзання), а також при визначенні геометричних параметрів КС, є руйнівними чи малопродуктивними, що не дозволяє використовувати їх у налагодженні технологічних процесів і на вихідному контролі. Значного економічного ефекту у виробництві ІС можна досягти лише за рахунок 100% неруйнівних, експресних методів контролю структурної досконалості і геометричних параметрів КС. Впровадження методів і пристроїв вимірювання рівня розплаву, стабілізації діаметру зливка і пристроїв контролю температури розплаву дозволить створити автоматизовані комплекси по вирощуванню бездефектних зливків кремнію з заданим діаметром.

Проведений математичний аналіз методу фотопружності дозволив визначити головні значення діелектричної непроникності і , що в свою чергу дало можливість вперше визначити значення головних показників заломлення і для випадку плоскополяризованого інфрачервоного випромінювання.

Розроблено теорію і конструкцію плаского полярископа для інфрачервоного випромінювання. Розроблений прилад “Мираж-1” застосовано для контролю внутрішніх напруг у технологічних процесах виробництва ІС.

Для автоматизації процесів вимірювання внутрішніх напруг була розроблена оптична схема полярископа з обертовими аналізаторами і визначена математична залежність для обчислення різниці головних напруг .

Розроблений промисловий автоматичний полярископ “Мираж-2” має можливість представляти ці значення по всій поверхні КС.

Для підвищення точності вимірювання внутрішніх напруг був використаний GaAlAs-лазер з =1,3 мкм; розроблені оптична схема установки та електрична схема підсилювачів дали можливість підвищити чутливість при вимірюванні різниці головних напруг до 7*10³ Па .

Вперше була розроблена схема калібрування установки “Мираж-2”. Розроблені методика атестації і конструкція калібрувальних зразків і визначені значення п'єзооптичних коефіцієнтів

для кремнію і арсеніду галію. Визначено індивідуальні значення головних напруг і .

Із застосуванням розробленої установки “Мираж-1” досліджено технологічні процеси високотемпературної обробки КС. Визначено причини, які призводять до виникнення значних температурних і, як наслідок, механічних напруг.

Створені “карти” двопроменезаломлення, що застосовуються для коректування технологічних процесів.

Визначено величину критичного значення внутрішніх напруг, які відповідають “жорсткому” термоудару .

Проведено теоретичний аналіз та експериментально підтверджено взаємозв'язок полів внутрішніх напруг із щільністю дислокацій . Розроблено методику контролю щільності дислокацій на установці “Мираж-2”. Результати дисперсійного аналізу визначили залежність для середнього значення щільності дислокацій . Стандартне відхилення оцінки за допомогою даної моделі складає 1,26 10³ см^-2. При цьому поріг чутливості розробленої методики по визначенню складає 0,42 см^-2.

Визначено математичну модель і розроблено конструкцію приладу “Сигма-1” для експресного контролю внутрішніх напруг у кремнієвих пластинах, що базується на визначенні внутрішніх напруг через зусилля, прикладене для вирівнювання пластини.

В процесі дослідження жорсткості КС виявлено нове явище: зміна форми (вигину) КС після прикладання імпульсу навантаження з високою швидкістю, що дозволяє зробити висновок про деякий “метастабільний” стан КС, який зазнає пластичного вигину.

На основі дослідження ефекту низькотемпературної пластичності кремнію уточнено методи контролю деформацій КС, що знаходяться в метастабільному структурному стані. Запропоновано низькотемпературні методи модифікації кристалічної структури і внутрішніх напруг у КС, що дозволяють суттєво знизити деформацію КС.

Розроблені і метрологічно атестовані методики контролю геометричних параметрів КС при вакуумному навантаженні (СВППв) і у вільному стані (СВППс), що полягають у контролі відстаней відповідним чином розташованих точок поверхні КС до базової площини. Як давач контролю відстані від КС до базової площини розроблено надчуттєвий мікросиловий компаратор (МСК).

Розроблено ряд промислових установок “Экспресс-3”, “Экспресс-4”, “Номинал-1”, “Номинал-2” із застосуванням МСК, які захищені авторськими свідоцтвами і дозволяють робити 100% як виробничий, так і вихідний контроль КС. Розроблені компоненти електронних схем і роторно-конвейєрний принцип дозволили створити автоматизовану установку “Экспресс-5” для сортування КС за заданими геометричними параметрами з діаметром КС до 150 мм.

Розроблено оптичну схему і конструкцію пірометра з кремнієвим світлофільтром і електромеханічним модулятором для підвищення чутливості в області температур 1200-1400С. Пірометр атестований з основною похибкою, що не перевищує 7С. Введення автоматичного (безінерційного) контролю температури дозволило знизити осьовий градієнт температури до 50 К/см на периферії зливка і поліпшити умови тепломасоперенесення.

...