Spannungs-Topographie

Spannungstopographie an Halbleiterwafern

Abb. 1: Rissspitze

Substrate für die Herstellung mikro- und optoelektronischer Bauelemente werden derzeit hauptsächlich aus einkristallinem Silizium, GaAs und InP, in der Photovoltaik aus ein-, tri- und multikristallinem Silizium gefertigt. Diese Fertigung setzt sich im wesentlichen aus mechanischen, chemischen und thermischen Behandlungs- bzw. Bearbeitungsschritten zusammen. Die meisten dieser Schritte sind durch die Existenz mechanischer Spannungen und korrelierter Defekte geprägt.

So kommt es bei der Züchtung und Temperung in Phasen räumlich inhomogener Abkühlung zur Ausbildung von Eigenspannungen, die entweder durch zusätzliche Defektbildung relaxieren oder aber im Material verbleiben. Ihre räumlichen Verteilungen geben Aufschluss über konstruktive Details der Versuchs- bzw. Produktionsanlage und die Prozessführung.

Thermisch induzierte ES im Volumenkristall gefährden zuerst den erfolgreichen und verlustfreien Verlauf des Sägeprozesses. Die dann bei der weiteren mechanischen oder thermischen Bearbeitung im Wafer insbesondere unterhalb der Oberfläche erzeugten Eigenspannungen beeinflussen nachhaltig Qualität und Homogenität der anschließend aufgebrachten Schichten und Strukturen.

Der quantitative und zerstörungsfreie Nachweis von Eigenspannungen in kristallinen Halbleitermaterialien kann im wesentlichen nur mit optischen oder diffraktometrischen Methoden erfolgen. Für die schnelle Waferinspektion mit einer lateralen Auflösung von wenigen Mikrometern kommen, abgesehen von synchrotron-gestützten Methoden der Röntgenbeugung, nur Verfahren der Lasermikroskopie bzw. -spektroskopie in Frage. Hierbei ist die Spannungspolariskopie (auch als Transmissionsellipsometrie oder Photoelastometrie bezeichnet) mit einem Auflösungsvermögen kleiner 1 kPa das Verfahren mit der höchsten Nachweisempfindlichkeit für Spannungszustände.

 

Versuchsaufbau:

Abb. 2: Versuchsaufbau

Infrarotes Laserlicht wird durch eine Stahloptik aufgeweitet und durchläuft ein optisches Element (1/4-Plättchen). Danach ist es zirkular polarisiert. Bei Durchgang durch die doppelbrechende Probe erfolgt eine Drehung der Polarisationsrichtungen der ordentlichen und der außerordentlichen Welle in die in der Waferebene liegenden Hauptspannungsrichtungen. Folglich führt die Abtastung der Intensität mit einem rotierendem Analysator zu einem periodischen Signal am nachgeordneten Detektor. Nach einer Signalverarbeitung können sowohl die Phasenverschiebung des ordentlichen und außerordentlichen Strahls gegeneinander als auch die Richtung einer Hauptspannungsachse bestimmt werden.

 

Parameter der SDS-150:

Messwellenlänge:1,15 µm
messbare Weglängendifferenz:4 bis 250 nm
messbarer Bereich der Hauptspannungsdifferenzen für Si-Wafer mit 380 µm Dicke:0,6 bis 38 MPa
Auflösung:0,2 mm
Genauigkeit:8 %
Hauptspannungsrichtung:0 bis 180°
Transmission:> 4 %
Probendurchmesser:10 bis 150 mm
Probendicke:0,1 bis 3 mm

 

Abb. 3             Abb. 4

 

Publikationen:

  • C. Funke, M. Herms, H. J. Möller
    Spannungstopographie an Halbleiterwafern
    Freiberger Forschungshefte B321 Werkstofftechnologie (2002), Vorträge zum 51. Berg- und Hüttenmännischen Tag, S. 230-237
  • E. M. Gamarts, P. A. Dobromyslov, V. A. Kryslov, S. V. Prisenko, E. A. Jakushenko, V. I. Safarov Characterization of stress in semiconductor wafers using birefringence measurements
    J. Phys. III France 3 (1993) 1033-1049
  • M. Yamada
    High-Sensitivity Computer-Controlled Infrared Polariscope
    Rev. Sci. Instrum. 64 (1993) 1815-1821