Оборудование для ориентации полупроводниковых пластин

На рис. 7 представлена схема рентгеновского метода ориентации. При ориентации слитка кремния для нахождения, например, кристаллографической плоскости (111) рентгеновскую трубку располагают под углом 17˚56΄ к плоскости торца слитка. Если торец слитка совпадает с заданной кристаллографической плоскостью (111), то счетчик Гейгера, расположенный под углом 2θ к падающему рентгеновскому пучку в плоскости падения, зафиксирует максимум отраженных лучей. Если торец слитка не совпадает с кристаллографической плоскостью, то для получения максимальной интенсивности отраженных лучей слиток поворачивают вокруг вертикальной оси по отношению к плоскости рисунка на определенный угол α, одновременно вращая его относительно оси, нормальной к плоскости торца. Угол отклонения α плоскости торца слитка от кристаллографической плоскости (111) определяют по шкале гониометра установки и записывают в паспорт слитка. На торце слитка проводят стрелку, направление которой указывает, в какую сторону от торца слитка отклонена кристаллографическая плоскость (111).

Общий вид рентгеновской установки для ориентирования монокристаллов с приставкой показан на рис. 8 (см. приложение 1). Аппарат состоит из стола 2, гониометрического устройства 5 (ГУР-3, а для модификации УРС-50ИМ – ГУР-4), рентгеновской трубки – источника рентгеновских лучей 7, счетчика квантов 4, распределительного блока 1, блока усиления импульсов 3, защитного экрана 6. Установка подключается к сети через входной стабилизатор типа СН-1. Анод рентгеновской трубки защищен массивным металлическим кожухом и охлаждается водой. Все части установки, кроме измерительного шкафа 1, который выполнен отдельно, расположены на столе 2. Внутри стола размещены пускорегулирующая аппаратура и высоковольтное генераторное устройство, питающее рентгеновскую трубку. Измерительный шкаф включает стабилизатор напряжения СН-1, блок РЕ-1 (интегрирующую схему), схему питания счетчика квантов и самопишущий потенциометр ЭПП-09. Для обеспечения высокой стабильности излучения рентгеновской трубки в аппарате, кроме стабилизатора напряжения, предусмотрен стабилизатор анодного тока. Регулировка напряжения на трубке ступенчатая (см. рис. 9. на приложении 2).

Блок схема рентгеновского аппарата УРС-50И приведена на рис. 9 (см. приложение 2).

Установка соединена с сетью через входной стабилизатор напряжения СН-1 высокой точности. Генераторное устройство предназначено для питания рентгеновской трубки высоковольтным напряжением. Блок ПС-64М-1 преобразует импульсы для нормальной работы электромеханического счетчика.

При работе аппарата рентгеновские лучи, выходящие из окна рентгеновской трубки, попадают на исследуемый образец, находящийся вместе со счетчиком рентгеновских квантов МСТР-4 (РМ-4) на гониометрическом устройстве ГУР-3. Лучи, отраженные под некоторым углом от образца, попадают на счетчик рентгеновских квантов, представляющий собой газовый конденсатор в стеклянной оболочке с тонким слюдяным оконцем в торце, наполненный смесью аргона и метилаля.

Счетчик представляет собой цилиндрический газовый конденсатор, состоящий из металлической тонкостенной трубки, вдоль оси которой протянута металлическая нить. Между центральной нитью и обкладкой счетчика прикладывается напряжение 1300-1500 В от высоковольтного выпрямителя (ВВ) блока РЕ-1, и достаточно появления в счетчике в результате ионизационного действия рентгеновских лучей одной пары ионов (электрона и положительного иона), чтобы счетчик сработал, т.е. чтобы через него прошел единичный импульс тока длительностью 200мс. Количество импульсов тока, возникающих в счетчике в единицу времени, пропорционально интенсивности отраженного рентгеновского пучка.

Монокристаллические слитки кремния и германия ориентируются с помощью специальной приставки (см. рис. 10 на приложении), состоящей из блока вращения и электрического блока управления. Блок вращения устанавливается на гониометре. С его помощью слиток прижимается к базовой поверхности и вращается в ручную или от электродвигателя относительно горизонтальной оси. Гониометрическое устройство позволяет вращать счетчик или образец независимо друг от друга или вместе. Вращение можно осуществлять с разной скоростью. Гониометрическое устройство дает возможность производить точный отсчет углов относительно первичного пучка лучей, производящих ионизацию в счетчике квантов.

Возбуждаемые в счетчике квантов импульсы тока, проходя через резисторы, преобразуются в импульсы напряжения, которые затем усиливаются в блоке РЖ (усилителя импульсов) и передаются по кабелю на вход мультивибратора блока ПС-64М-1. В первом каскаде этого блока различные по длительности, форме и амплитуде импульсы формируются в очень короткие (порядка 50 мс) прямоугольные импульсы напряжения одинаковой амплитуды. После этого каждый импульс идет по двум путям: к пересчетному устройству и к измерителю скорости счета.

Пересчетное устройство состоит их шести каскадов, каждый из которых пропускает один импульс из двух, поступающих на его вход. Импульс от соответствующего пересчетного каскада, подключенного к застопоренному выходному мультивибратору, запускает данный мультивибратор, назначением которого является формирование импульсов напряжения длительностью порядка 5 мс. На выходе пересчетного устройства, изменяя количество подключенных каскадов мультивибраторов, можно получить один импульс от 2, 4, 8, 16, 32 или 64 импульсов, подающихся на вход. Эти импульсы запускают усилитель тока, на выходе которого получаются импульсы тока 30 мА длительностью 5 мс, воздействующие на электромеханический счетчик. Уменьшение количества импульсов в пересчетном устройстве необходимо вследствие того, что счетчик квантов может считать примерно до 5000 квантов в секунду, а электромеханический счетчик до 100 импульсов в секунду.

Измеритель скорости счета блока РЕ-1 представляет собой радиотехническое устройство, состоящее из нормализатора, ограничителя импульсов, интегрирующей схемы и лампового вольтметра. Нормализатор подвергает приходящие к нему от блока ПС-64М-1 импульсы строгой нормализации по длительности и амплитуде и передает их на интегрирующую схему, представляющую собой реостатно-емкостный контур.

Среднее значение разности потенциалов на конденсаторе контура служит мерой частоты поступления импульсов. Эта разность потенциалов измеряется ламповым вольтметром, шкала которого отградуирована в импульсах в секунду.

Кроме лампового вольтметра к выходу измерителя скорости счета подключен электронный самопишущий потенциометр ЭПП-09. Отклонение записывающей системы самопишущего прибора также пропорционально среднему количеству импульсов. Таким образом, интенсивность рентгеновских лучей, воздействующих на счетчик квантов, может измеряться следующими приборами: электрическим счетчиком; ламповым вольтметром и самопишущим прибором.

Принцип определения отклонения положения кристаллографической плоскости (111) от торца слитка на рентгеновской установке состоит в нахождении угла положения торца слитка по отношению к исходному, при котором фиксируется максимальная интенсивность рентгеновских лучей, отраженных от торца слитка (пластины) и воздействующих на счетчик квантов. Такое положение слитка находят, вращая его в вертикальной и горизонтальной плоскостях и наблюдаяза максимальным отклонением стрелки прибора электромеханического счетчика. Найденное положение слитка, соответствующее максимальной интенсивностиотраженных рентгеновских лучей, отсчитывают на проекторегониометрического устройства ГУР-3и фиксируют на торце слитка прочерчиванием рисок с пометкой стороны слитка, от которой следует отсчитывать определенные отклонения в градусах кристаллографической плоскости (111) от торца слитка.

Приставка к установке УРС-50И (рис. 10, а на приложении 3) состоит из головки и электрического блока.

Головка предназначена для закрепления слитка (пластины) трехкулачковым патроном и вращения его в вертикальной плоско­сти впроцессе ориентировки. Головка состоит из основания 4, угольника 6,червячного редуктора 3, трехкулачкового патрона 5, обоймы 2и сельсина-приемника 1. В угольнике имеется прорезь, по которой после окончания ориентирования наносят карандашом стрелку, указывающую направление отклонения искомой плоскости ориентировки. Вращение образца в вертикальнойплоскости осуществляется припомощи сельсина-приемника и червячногоре­дуктора. Обойма и поджимной цилиндр предназначены для пол­ного поджатия образца к плоскости угольника перед его закрепле­нием в трехкулачковом патроне.

Электрический блок приставки (рис. 10, б на приложении 3) выполнен отдельно от головки, предназначен для дистанционного управления головкой и состоит из электродвигателя постоянного тока М, сельсина-дат­чика СД и регулятора напряжения РН. Изменяя выходное напря­жение на автотрансформаторе, можно изменять угловую скорость вращения образца. При этом изменяется скорость вращения валов электродвигателя и сельсина-датчика, которые соединены между собой. Изменение скорости вращения сельсина-датчика вызывает, в свою очередь, изменение скорости вращениясельсина-приемника СП и в конечном итоге изменяется скорость вращения ориентируе­мого образца. Вращать образец можно вручную, для чего на другом конце вала электродвигателя имеется маховичок. Сельсины между собой соединены проводами с разъемами ШР.

Каждая головка должна быть подогнана и выверена под данную рентгеновскую установку. После изготовления головки при уста­новке ее на гониометрическое устройство необходимо точно выдер­жать размер от плоскости базированияголовкиприставкидо сере­дины щелей в рентгеновской трубке, угольнике и счетчике квантов. Наладку приставки лучше выполнять одновременно с наладкой рентгеновской установки.

Для надежной работы необходимо два раза в год проводить профилактический осмотр приставки и смазку трущихся деталей. Редуктор смазывают машинным маслом, которое заливают через крышку. Особое внимание следует обращать на состояние рабочей поверхности угольника, так какот длительной эксплуатации по­верхность угольника, к которой прижимают ориентируемые слитки (пластины), со временем теряет первоначальную чистоту обработ­ки, изнашивается. От точности изготовления угольника зависит точность ориентации, поэтому при профилактическом осмотре необ­ходимо осматривать угольник и контролировать его базовые раз­меры. При отклонении размеров и чистоты поверхностиот заданных угольник необходимо отремонтировать илизаменить новым.

Рентгеновский аппарат представляет собой сложное устройство; работа на нем связана с опасностью облучения значительными дозами рентгеновских лучей, которые вредны для здоровья, поэтому, выполняя работу на рентгеновских установках, ими управляют дистанционно. Рабо­чее место рентгенолога должно находиться в специальном помеще­нии, экранированном свинцовым экраном. В момент ориентации рентгенолог должен быть защищен опускающимся свинцовым стек­лом определенной толщины. Рентгенологи должны периодически проходить инструктаж по безопасным приемам работы и медицин­ский осмотр.

Метод изломов . В практике измерений иногда возникает задача ориентировки плоскостей системы (100) для слитков, выращенных по направлению [111], или определения заданных кристаллографических направлений, лежащих в плоскости торца слитка. В частности, представляет интерес определить одно из направлений системы [110] в плоскости (111) или в плоскости (100) для последующего ориентированного скрайбирования. В этом случае целесообразно сочетать метод ориентировки по отраже­нию с методом изломов, который был опробован одним Ю.А. Концевым и В.Д. Кудиным.

Суть метода заключается в следующем. После ориен­тировки слитка по плоскости (111) отрезают «горбушку», а затем параллельно плоскости (111) надрезают слиток примерно до середины диаметра. В надрез вставляют металлическую пласти­ну и, нажимая острием из твердого сплава в точку, отстоящую на расстоянии, равном по­ловине радиуса слитка от начала надреза, производят скол надре­занной пластины. Направление скола для таких материалов, как германий и кремний, в точности совпадает с одним из направлений [110], а плоскостью скола является одна из боковых плоскостей системы (111). Плоскость скола составляет угол, равный углу 70°32´ с торцом слитка. Далее определяют положение плоскости скола (рис. 11). Для выведения плоскостей системы (100) разворачивают слиток относительно оси, совпадающей с линией скола на угол 54°44', в направ­лении, показанном стрелками на рис. 11. Отрезав «гор­бушку», определяют правильность ориентировки, изме­ряя отклонение от угла θ для плоскости (100) методом, рассмотренным выше.

Для того чтобы зафиксировать направление [110] на пластинах, предназначенных для эпитаксиального нара­щивания, на боковой поверхности слитка срезают фаску, плоскость которой должна быть параллельной указан­ному направлению. Если плоскость фаски, кроме того, составляет с плоскостью торца прямой угол, то она бу­дет совпадать с одной из плоскостей системы (112). В этом случае по срезанной «горбушке» также можно проверить правильность ориентировки, измеряя отклоне­ние от угла θ для плоскости (112). Точность ориенти­ровки может быть доведена до 10´, что значительно выше точности, достигаемой по методу Лауэ.

Метод Лауэ . Ориентировку монокристаллов полупроводниковых материалов по методу Лауэ производят на установках УРС-60 при использовании немонохроматического излу­чения. Так как в производстве применяются монокристаллы больших размеров, то используется съемка на отражение, т. е. метод эпиграмм. Принцип метода заключается в следующем. При падении рентгеновского излучения на торец слитка от­раженные лучи возникают только от тех систем плоско­стей hkl, для которых выполняется условие Вульфа-Брегга. Обычно используют от­ражения под большими углами θ, близкими к 90°. Используя камеру РКСО, устанавливают при помощи специального осветителя камеры отполированный торец слитка нормально падающему пучку рентгеновских лу­чей, т. е. параллельно поверхности рентгеновской плен­ки. Пучок рентгеновских лучей при этом проходит через специальное отверстие в кассете с пленкой.

Съемку производят в течение 0,5—1 ч. После про­явленияпленки на эпиграмме выявляется система пятен, симметрия которых характеризует симметрию соответ­ствующей кристаллографической оси слитка. Пример такой эпиграммы, соответствующей симметрии оси третьего порядка, показан на рис. 12. На эпиграмме отмечено также направление вертикальной оси (след проволоки, натянутой на кассету с пленкой) и имеется метка, позволяющая определить верх пленки и ее рас­положение в кассете. Далее по эпиграмме строят сте­реографическую проекцию (рис. 13).Измерив расстояние от пятна на эпиграмме до центра эпиграм­мы— BC, определяют угол θ из соотношения tg(180— 2θ)=а/r(рис.13). Представим себе, что точка Kяв­ляется центром радиуса R. Нормаль к системе плоско­стей hkl, проведенная из точки K, пересечет сферу в точке S. Если теперь точку O – полюс сферы — соеди­нить с точкой S, то пересечение линии OS с диаметраль­ной плоскостью сферы AА', т. е. точка Mи будет являться стереографической проекцией точки S. Легко видеть, что расстояниеKM= m = Rtg(45°—θ/2).Итак, каждому пятну Bможет быть сопоставлена точка Mна стереографической проекции. На практике расстояние rвыбирают постоянным (обычно равным30 мм). Радиус сферы выбирают равным100 мм, что соответствует радиусу стандартных сеток Вульфа, представляющих собой номограмму стереографических проекций парал­лелей и меридианов сферы. Обычно для построения стереографической проекции изготовляют специальную вспомогательную линейку, одна из шкал которой равна rtg( 180°—2θ)=rtg2θ, а другая m=Rtg(45°—θ/2).Из­мерив по одной шкале расстояние от центра эпиграммы до пятен и определив угол θ, откладывают на кальке при помощи другой шкалы расстояние m. Полученную стереографическую проекцию накладывают на стандартную стереографическую проекцию, построенную для «решетки алмаза (так называемую сетку Закса), таким образом, чтобы пятна на обоих проекциях совпадали. Затем при помощи сетки Вульфа определяют два угла, на которые необходимо повернуть слиток (вокруг оси, проходящей нормально к торцу слитка и вокруг верти­кальной оси), чтобы вывести искомую кристаллографи­ческую плоскость и произвести резку слитка по задан­ной кристаллографической плоскости.

Используя метод Лауэ, производят ориентацию и резку по плоскостям (100)слитков германия или крем­ния, выращенных в направлении [111]. Слитки арсенида галлия или других соединений AIIIВv, выращенные, на­пример, по направлениям [112], ориентируют для резки по плоскостям (111) и др. Метод Лауэ используют так­же для ориентированной резки сапфира и других мате­риалов.

Выводы и перспективы

У всех перечисленных выше методов есть свои недостатки. Рентгеновский метод – сложность оборудования и опасность для человеческого здоровья, а также быстрая снашиваемость некоторых узлов оборудования – делает этот метод пригодным в основном для лабораторных исследований. Хотя следует подчеркнуть высокую скорость и точность ориентирования слитков (пластин) в пространстве. Метод изломов используется как дополнительный метод после ориентации слитков (пластин) на рентгеновском оборудовании, следовательно, имеет те же недостатки и как достоинство наибольшую точность. Метод Лауэ требует много времени и имеет не большую точность, но позволяет ориентировать кристаллы большого размера. Оптический метод самый простой в применении, но уступает по точности рентгеновскому.

Широкое развитие ЭВМ и компьютерной индустрии в целом предопределяет перспективу развития оборудования для ориентации полупроводниковых пластин. Создание новых установок, в управлении которых участвуют мощные компьютерные комплексы и задействованы новые методы ориентации монокристаллов, (таких как германская ЭУОС-3) позволят значительно увеличить скорость и точность ориентации слитков (пластин). Также развитие производства электроники и увеличение спроса на этот товар должно сказаться на совершенствовании производства полупроводниковых пластин в целом.

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Список использованной литературы

1. Концевой Ю.А., Кудин В.Д. «Методы контроля технологии производства полупроводниковых приборов», 1973 г.

2. Николаев И.М. «Оборудование и технология производства полупроводниковых приборов», 1977 г.

3. Масленников П.Н., Лаврентьев К.А., Гингис А.Д. «Оборудование полупроводникового производства», 1984 г.

4. Бочкин О.И. «Механическая обработка полупроводниковых материалов», 1974 г.

5. Гаврилов Р.А., Скворцов А.М., «Технология производства полупроводниковых приборов», 1968 г.

6. Моряков О.С. «Устройство и наладка оборудования полупроводникового производства», 1976 г.