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

Розроблено метод і конструкцію пристрою для визначення рівня розплаву кремнію за телевізійним зображенням шляхом оцифрування зображення ділянки поверхні розплаву - зони росту монокристала. Метод не вимагає внесення значних змін у конструкцію установки “Редмет-30” і з успіхом може застосовуватися на існуючих установках типу “Редмет”. Похибка методу при визначенні рівня розплаву не перевищує 1 мм.

Розроблено алгоритм і пристрій вимірювання діаметра циліндричної частини монокристала кремнію, зовнішнього і внутрішнього діаметру меніска, що базується на аналізі відеозображення зони переходу меніск-монокристал. Алгоритм вимірювання побудований таким чином, що пристрій автоматично розрізняє фазу вирощування шийки, фазу вирощування прямого конуса, момент виходу на циліндричну частину, динаміку росту циліндричної частини. На всіх стадіях визначається середній діаметр при орієнтації границі меніска. Похибка методу 2 мм.

Розроблено і впроваджено у виробництво на ВАТ “Чисті метали” автоматизовану інформаційно-аналітичну систему для вирощування зливків кремнію великого діаметра АСУ “Кремінь”. Система забезпечена сучасним користувальницьким інтерфейсом, що дозволяє залежно від категорії користувача (оператор, технолог, наладчик) реалізувати функції керування технологічним процесом. Впровадження АСУ “Кремінь” дозволило значно знизити брак вирощуваних зливків кремнію по діаметру і поліпшити структурну досконалість монокристалів.

Загальний річний економічний ефект від впровадження на ВАТ “Чисті метали” розроблених у роботі методик і пристроїв складає 580 тис. грн.

ПУБЛІКАЦІЇ

Оксанич А.П. Промышленные методы и устройства исследования напряженно-деформированного состояния полупроводниковых материалов: Монография. - г. Харьков: НТК "Институт монокристаллов", 2001. - 206 с. ISBN 966-03-1404-3.

Оксанич А.П., Анистратенко А.Л., Ковтонюк А.М. Аппаратура для контроля геометрических параметров полупроводниковых пластин // Полупроводниковые материалы. - М. - 1982. - Вып. 5. - С. 159-165.

Оксанич А.П., Воронин В. П., Мовшиц Б.Й. Структурные дефекты кристаллической структуры в кремнии // Электр. Техника. Сер. 6. Материалы. - 1983. - Вып. 3. - С.58-60.

Оксанич А.П., Тузовский А.М., Воронин В.П. Установка контроля внутренних напряжений и геометрических параметров монокристаллических кремниевых пластин // Электронная техника. Сер. Материалы. - 1983. - Вып. 3(176). - С. 78-79.

Кирилюк В.К., Оксанич А.П. Аппаратура для контроля структурных дефектов и геометрических параметров КСДИ. - М.: Электронная промышленность, 1986. - Вып.8. - С.36-39.

Галанов Е. К., Оксанич А.П., Потихонов Г.Н., Стенко В.А. Поляризационная установка для исследования магнитооптического вращения и магнитного кругового дихроизма в полупроводниках. // “Оптико-механическая промышленность”. - 1984. - № 16. - С. 31-34.

Оксанич А.П., Концевой Ю.А., Чернер В.М., Мельников Г.Д. О связи напряженного состояния с дефектами кристаллической структуры в арсениде галлия // Заводская лаборатория. - 1987. - № 7. - С. 90-91.

Галанов Е.К., Бароненкова Р.П., Борисова Т.А., Оксанич А.П. Исследование распределения плотности дислокаций в Si методом деполяризации излучения // "Оптико-механическая промышленность". - 1988. - № 11. - С. 73-76.

Оксанич А.П., Вдовиченко Н. Д. Метод контроля искусственной оптической анизотропии в полупроводниковых материалах с различной кристаллографической ориентацией // Электр. Техника. Cер. 2. Полупроводниковые приборы. - 1988. - Вып. 3. - С. 54-58.

Оксанич А.П., Вдовиченко Н.Д. Принципы повышения точности контроля структурного несовершенства полупроводниковых пластин // Радиоэлектроника и информатика. - Харьков: ХТУРЭ. - 2000. - № 3. - С. 42-48.

Oksanich A.P., Bogoboyaschiy V.V., Kurbanov K.R. Industrial production of GaAs and Hg1-xCdxTe based crystals and epitaxial structures in Ukraine: actuality and development outlook // Functional materials. - 2000. - Vol. 7, № 3. - P. 546-551.

Оксанич А.П., Притчин С.Э. Определение телевизионным способом диаметра монокристалла кремния на разных стадиях его роста // Научные труды КГПИ.- Вып 2/2001 (8). - Кременчуг: КГПИ. - С. 376-381.

Oksanich A.P., Pritchin S.E., Vdovichenko N.D Principles of the control system for dislocation-free silicon single crystal growing under maintaining the crystal diameter and melt temperature // Functional materials. - 2001. - Vol. 8, № 2. - P. 377-380.

Оксанич А.П., Вдовиченко М.Д. Новые принципы построения устройств контроля процессов выращивания структурно-совершенных слитков кремния большого диаметра // "Радиоэлектроника и информатика", Харьков: ХТУРЭ, 2001, №1(14). - С.42-45.

Оксанич А.П., Петренко В.Р. Автоматизация выращивания монокристаллов полупроводников по методу Чохральского // Научные труды КГПИ. - Кременчуг: КГПИ - Вып. 1/2000(8) - С. 364-367.

Оксанич А.П. Теоретичне обґрунтування та експериментальне дослідження методу контролю щільності дислокацій в кремнієвих епітаксійних структурах // Вісник ЖІТІ, Технічні науки, 2000, №15. - С.120-124.

Оксанич А.П., Михальчук В.И. Бесконтактное измерение температуры расплава кремния с помощью пирометров на основе термоэлектронных модулей // Вестник национально-технического университета ХПИ “Новые решения в современных технологиях”. - Харьков. - 2002. - № 4 - С. 11-22.

Оксанич А.П., Притчин С.Э., Перваков А.С. Метод контроля уровня расплава при выращивании структурно-совершенных монокристаллов кремния по методу Чохральского // Радиоэлектроника и информатика. - Харьков: ХНУРЭ. - 2001. - №4. - С. 43-46.

Оксанич А.П., Петренко В.Р. Автоматизация и моделирование процессов выращивания структурно-совершенных монокристаллов кремния большого диаметра // АСУ и приборы автоматики. - Харьков: ХНУРЭ. - 2001. - Вып.117. - С. 165-175.

Оксанич А.П. К вопросу влияния измерения температуры расплава на структурное совершенство слитков кремния // "Системні технології", Дніпропетровськ, 2001, №4. - С.89-97.

Oksanich A.P. The main tasks of formulating the algorithm for functioning automized systems on growing absolute monocryctals by Chokhralsky method // Fourth International Conference. Single crystal growth and heat and mass transfer, Obninsk, 2001, Vol. 2. - С. 428-435.

Устройство для контроля полупроводниковых пластин: А.с. 1013744 СССР, G 01 В 7/28. / А.П.Оксанич, А.Л.Анистратенко, В.П.Воронин (СССР). - № 328330; Заявлено 16.12.81; Опубл. 23.04.83, Бюл. № 15.

Электроконтактный датчик: А.с. 954793 СССР, G 01 В 5/00. / А.П.Оксанич, А.Л.Анистратенко,

С.А.Спектор, Ю.А.Концевой (СССР). - № 3221398/18-28; Заявлено 24.12.80; Опубл. 30.08.82,

Бюл. № 32.

Электроконтактный датчик: А.с. 1633259 СССР, G 01 В 5/00. / А.Л.Анистратенко, А.П.Оксанич (СССР). - № 4627802/28; Заявлено 28.12.88; Опубл. 07.03.91, Бюл. № 9.

Устройство для контроля геометрических параметров полупроводниковых пластин: А.с. 1106983 СССР, G 01 В 7/28. / А.П.Оксанич, А.Л.Анистратенко, В.К.Кирилюк, В.К.Ергаков (СССР). - № 3504194/18-28; Заявлено 13.09.82; Опубл. 07.08.84, Бюл. № 29.

Устройство для контроля геометрических параметров полупроводниковых пластин: А.с. 1048305 СССР, G 01 В 7/28. / А.П.Оксанич, А.Л.Анистратенко, В.К.Кирилюк, С.А.Спектор (СССР). - № 3447075/18-28; Заявлено 01.06.82; Опубл. 15.10.83, Бюл. № 38.

Установка для контроля геометрических параметров полупроводниковых пластин: Свидетельство на промышленный образец № 16024 СССР. / А.П.Оксанич, А.Л.Анистратенко, В.К.Кирилюк (СССР). - Заявка № 28296, Заявлено 03.03.83; Зарегистр. 10.10.83.

Установка контроля геометрических параметров полупроводниковых пластин: Свидетельство на промышленный образец № 19574 СССР. / А.П.Оксанич, А.Л.Анистратенко, Б.И.Мовшиц (СССР). - Заявка № 35004, Заявлено 19.03.85; Зарегистр. 23.12.85.

Спосіб вирощування монокристала та пристрій для його здійснення. / Третьяков О.В., Оксанич А.П., Притчин С.Е., Петренко В.Р., Слюсаренко О.А. - Деклараційний патент на винахід 7С30В15/20; Заявка № 2002021161 від 01.04.2002 р.

АНОТАЦІЇ

Оксанич А.П. Методы и аппаратура контроля структурно-геометрического совершенства полупроводниковых материалов и структур в условиях их серийного производства. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.27.06. - Технология, оборудование и производство электронной техники. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2002.

Диссертация посвящена разработке научно обоснованных методов для контроля деформаций, механических напряжений структурного совершенства и создания на их основе принципов конструирования измерительного и ростового оборудования, позволяющего неразрушающим методом экспрессно контролировать на всех стадиях полупроводникового производства геометрические параметры и внутренние напряжения полупроводниковых пластин и структур, а также создание аппаратуры для контроля структурного совершенства полупроводниковых кристаллов в процессе роста. Проведенный в работе математический анализ метода фотоупругости для случая плоскополяризованного инфракрасного излучения позволил определить главные диэлектрические непроницаемости В_min и B_max , а также значение главных показателей преломления n₁ и n₂ , с помощью которых впервые получены математические выражения чувствительности кремниевых пластин к внутренним напряжениям С_I00 - для ориентации (I00) и С_III - для ориентации (III). Разработаны методики и конструкции плоских инфракрасных полярископов “Мираж-1” и “Мираж-2”. Впервые разработана схема калибровки инфракрасных полярископов и определены значения пьезооптических коэффициентов для кремния и GaAs. С применением установки “Мираж - 1” исследованы технологические процессы высокотемпературной обработки КС. Определены причины, приводящие к возникновению термоударов. Впервые созданы “карты” двулучепреломления, применяющиеся для корректировки технологических процессов. Проведен теоретический анализ и экспериментально подтверждена взаимосвязь полей внутренних напряжений с плотностью дислокаций N_д . Разработана методика контроля плотности дислокаций на установке “Мираж - 2”. Результаты дисперсионного анализа определили зависимость для среднего значения плотности дислокаций N_д=А+ВV. Стандартное отклонение оценки N_д с помощью данной модели составляет +1,26 * 10³ см^-2. При этом порог чувствительности разработанной методики по определению N_д составляет 0,42 см^-2.

В процессе исследования жесткости КС обнаружено новое явление: изменение формы (изгиба) КС после приложения импульса нагружения с высокой скоростью, что позволяет сделать вывод о некоем “метастабильном” состоянии КС, подверженной пластическому изгибу.

Разработаны и метрологически аттестованы методики контроля геометрических параметров КС при вакуумном нагружении (СОППв) и в свободном состоянии (СОППс), заключающиеся в контроле расстояний соответствующим образом расположенных точек поверхности КС до базовой плоскости. В качестве датчика контроля расстояния от КС до базовой плоскости разработан сверхчувствительный микросиловой компаратор (МСК), чувствительный элемент которого выполнен в виде плоской пружины. Усилие взаимодействия датчика с КС равно 10 мг, а площадь касания 0,2 мм. Разработан ряд промышленных установок “Экспресс-3”, “Экспресс-4”, “Номинал-1”, “Номинал-2” с применением МСК, которые защищены авторскими свидетельствами и позволяют производить 100% как производственный, так и выходной контроль КС.

Разработана оптическая схема и конструкция пирометра с кремниевым светофильтром и электромеханическим модулятором для повышения чувствительности в области температур 1200-1400⁰С. Пирометр аттестован с основной погрешностью, не превышающей +7⁰С. Введение автоматического (безынерционного) контроля температуры позволило снизить осевой градиент температуры до 50 К/см на периферии слитка и улучшить условия тепломассопереноса.

Разработан метод и конструкция устройства для определения уровня расплава кремния по телевизионному изображению путем оцифровки изображения участка поверхности расплава - зоны роста монокристалла. Метод не требует внесения значительных изменений в конструкции установки “Редмет-30” и с успехом может применяться на существующих установках типа “Редмет”. Погрешность метода при определении уровня расплава не превышает 1 мм.

Разработан алгоритм и устройство измерения диаметра цилиндрической части монокристалла кремния, наружного и внутреннего диаметра мениска, базирующегося на анализе видеоизображения зоны перехода мениск-монокристалл. Алгоритм измерения построен таким образом, что устройство автоматически различает фазу выращивания шейки, фазу выращивания прямого конуса, момент выхода на цилиндрическую часть, рост цилиндрической части. На всех стадиях определяется средний диаметр при ориентации III границы мениска. Погрешность метода +2 мм.

Разработана и внедрена в производство на ОАО “Чистые металлы” автоматизированная информационно-аналитическая система для выращивания слитков кремния большого диаметра АСУ “Кремень”. Система снабжена современным пользовательским интерфейсом, позволяющим в зависимости от категории пользователя (оператор, технолог, наладчик) реализовать функции управления технологическим процессом. Внедрение АСУ “Кремень” позволило значительно снизить брак выращиваемых слитков кремния по диаметру и улучшить структурное совершенство монокристаллов.

Ключевые слова: напряжение, структура, монокристалл, фотоупругость, полярископ, кремний, дислокация, расплав.

Оксанич А.П. Методи і апаратура контролю структурно-геометричної досконалості напівпровідникових матеріалів і структур в умовах їх серійного виробництва. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук зі спеціальності 05.27.06. - Технологія, обладнання та виробництво електронної техніки. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2002. Дисертація присвячена розробці науково обґрунтованих методів для контролю деформацій, механічних напруг, структурної досконалості і створення на їх основі принципів конструювання вимірювального і ростового обладнання, яке дозволяє неруйнівним методом експресно контролювати на усіх стадіях напівпровідникового виробництва геометричні параметри і внутрішню напругу напівпровідникових пластин і структур, а також створенню апаратури для контролю структурної досконалості напівпровідникових кристалів в процесі вирощування.

Розроблені методики і конструкції пласких інфрачервоних полярископів “Мираж-1” та “Мираж-2”, за допомогою яких досліджено технологічні процеси високотемпературного оброблення. Проведено теоретичний аналіз та експериментально підтверджено взаємозв'язок полів внутрішніх напруг з щільністю дислокацій N_д. Розроблена методика контролю щільності дислокацій, в процесі дослідження жорсткості кремнієвих структур виявлено нове явище: зміна форми (вигину) КС після прикладення імпульсу навантаження з високою швидкістю. Розроблена і впроваджена у виробництво на ЗАТ “Чисті метали” автоматизована інформаційно-аналітична система для вирощування зливків кремнія великого діаметру АСУ “Кремінь”, що дозволило значно знизити брак вирощуваних злитків кремнію по діаметру і поліпшити структурну досконалість монокристалів.

Ключові слова: напруга, структура, монокристал, фотопружність, полярископ, кремній, дислокація, розплав.

Oksanych А.P. Methods and instrumentation of structurally geometrical perfection of semiconductor materials control and structures in requirements of their serial production. - Manuscript.

Dissertation on doctor of engineering science scientific degree competition on a speciality 05.27.06. - Technology, inventory and production of electronic technique. - Kharkiv national university of a radioelectronics, Kharkiv, 2002.

The dissertation is devoted to the development of scientifically-approved methods for the strains control, mechanical voltages of structural perfection and making measuring and growth inventory constructing principles on their basis, allowing to control semiconductor production geometrical parameters and internal stress of semiconductor plates and structures at all stages and also making of instrumentation for semiconductor crystals structural perfection control during propagation by using a non-destructive method. The procedures and constructions of flat infrared polariscopes "Mirage - 1" and "Mirage - 2" were designed. With their help the technological processes of high-temperature processing KS are explored. The theoretical analysis was carried out and the interrelation of internal stresses fields with a dislocation density N_? was experimentally confirmed. The procedure of a dislocation density control was designed during examination of hardness KS the new phenomenon was revealed: change of the shape KS after a loading impulse application with high speed.

Computerized informational-analytical system for cultivation of silicon ingots of a big diameter of an automatic information system “Kremin” was designed and introduced at public corporation "Pure metals" that has allowed considerably to lower the discard of silicon ingots on a diameter and to improve structural perfection of single crystals.

Key words: a voltage, structure, single crystal, photoelasticity, polariscope, silicon, dislocation, melt.

Размещено на Allbest.ru