МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 6, с. 429-432
ХАРАКТЕРИЗАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ И МИКРОСТРУКТУР
УДК 537.311.322; 535; 621.382
ПРИМЕНЕНИЕ ИНФРАКРАСНОЙ ТЕРМОГРАФИИ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СЛИТКОВ КРЕМНИЯ
© 2004 г. В. А. Юрьев*, В. П. Калинушкин**, А. П. Лыгткин***, С. И. Ляпунов***
*Центр естественнонаучных исследований Института общей физики им. А. М. Прохорова Российской АН **Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской АН ***3акрытое акционерное общество "Матричные технологии" E-mail: vyuryev@kapella.gpi.ru vkalin@kapella.gpi.ru info@thermovision.org Поступила в редакцию 15.07.2003 г.
Показана возможность применения инфракрасной термографии для выявления неоднородностей в слитках кремния. Предложенный метод идеологически не отличается от методов визуального контроля, применяемых для диагностики оптических материалов, прозрачных в видимой области спектра. Для проведения термографической диагностики не требуется никакой предварительной подготовки исследуемого слитка. Простота и удобство термографической диагностики позволяют рассматривать ее как весьма перспективный метод контроля качества продукции в заводских условиях. Данный метод может применяться для диагностики слитков большинства используемых в технике полупроводниковых материалов.
ВВЕДЕНИЕ
В работе [1] сообщалось, что методом сканирующей лазерной микроскопии среднего ИК-диа-пазона были получены изображения сверхкрупных дефектов в монокристаллах CZ 81(В). Ранее подобные дефекты были выявлены в монокристаллах легированного бором кремния с удельным сопротивлением от 1 до 20 О см, выращенных методом Чохральского, с помощью растрового электронного микроскопа в режиме наведенного тока и методом малоуглового рассеяния света среднего ИК-диапазона [2]. Авторы статьи [1] предположили, что данные дефекты являются ни чем иным как ростовыми полостями, изредка возникающими при получении кремния по методу Чохральского и приводящими к появлению брака при производстве кремниевых пластин. Этот тип дефектов чаще встречается в кремнии для солнечных батарей. Однако, как показывает практика, и в кремнии для микроэлектроники эти дефекты также иногда присутствуют. К сожалению, выявить их удается только после стадии резки кремниевого слитка на пластины, а это вносит в производственный процесс дополнительные издержки, которых можно избежать, если производить диагностику кремниевых слитков непосредственно после их выгрузки из ростовой печи.
Простым и удобным инструментом для решения этой задачи оказалась инфракрасная термография. Идеологически предлагаемый подход не отличается от методов визуального контроля, применяемых для диагностики оптических мате-
риалов, прозрачных в видимой области спектра. Кремниевый слиток прозрачен для ИК-излуче-ния с длиной волны более 1.1 мкм. Боковая поверхность слитка, выгружаемого из ростовой печи, достаточно гладкая и не вносит в получаемое с помощью тепловизионной камеры изображение искажения, препятствующее решению поставленной задачи. В качестве осветителя может быть использован любой равномерно нагретый протяженный объект, расположенный таким образом, чтобы испускаемое им инфракрасное излучение просвечивало исследуемый слиток (см. рис. 1). В процессе обследования слиток можно вращать и перемещать вдоль продольной оси.
Предложенным способом могут быть визуализированы не только описанные выше дефекты,
Рис. 1. Схема эксперимента: 1 - равномерно нагретый протяженный объект; 2 - исследуемый слиток кремния; 3 - тепловизионная камера.
430
ЮРЬЕВ и др.
Рис. 2. Тепловизионное изображение фрагмента слитка мультикристаллического кремния для солнечных батарей (0 200 мм; ПХМЗ); вид сверху; слиток просвечивался излучением равномерно нагретого протяженного объекта.
(а)
Рис. 3. Тепловизионное изображение фрагмента слитка мультикристаллического кремния для солнечных батарей (0200 мм; ПХМЗ); в слитке просверлены 5 отверстий 02 мм разной глубины; слиток просвечивался излучением равномерно нагретого протяженного объекта; (а) - вид сверху; (б) - вид сбоку.
ПРИМЕНЕНИЕ ИНФРАКРАСНОЙ ТЕРМОГРАФИИ
431
но и другие внутренние оптические неоднородности слитка, порождаемые достаточно крупными ростовыми дефектами материала.
Данная задача предъявляет особые требования к применяемой тепловизионной камере. Температурная чувствительность камеры должна быть как можно более высокой (не хуже чем 50-60 мК): в конечном итоге именно этой характеристикой определяется минимальная величина оптической неоднородности, которая может быть обнаружена тепловизионным прибором. При этом тепло-визионный прибор должен быть прибором реального времени, т.е. работать на кадровых частотах не менее 25 Гц. Этой характеристикой определяется время, необходимое для проведения обследования. И наконец, для обеспечения достаточного пространственного разрешения тепловизионный
Область спектральной чувствительности, мкм ИК детектор Тип детектора
Число элементов детектора (формат)
Рабочая температура детектора, К
Динамический диапазон детектора, дБ
Порог температурной чувствительности детектора, К
Пороговая чувствительность детектора, Вт/см2
Частота кадров, Гц
Устройство охлаждения
Хладагент
Время выхода на рабочий режим, мин Габаритные размеры, мм Общая масса камеры, кг
Для освещения (просвечивания) слитков использовалось ИК излучение равномерно нагретого протяженного объекта (Т ~ 70°С). Исследуемый фрагмент слитка мультикристаллического кремния диаметром 200 мм располагался между осветителем и тепловизионной камерой. Схема эксперимента показана на рис. 1.
Верхние и нижние торцевые плоскости фрагментов слитков кремния были отшлифованы, но не полировались с оптической точностью. Для того чтобы смоделировать внутренние полости, в торцевой части фрагмента одного слитка были просверлены 5 отверстий разной глубины диаметром 2 мм. Фрагменты слитков обследовались как сбоку, так и вдоль оси ("вид сверху").
На рис. 2 показано ИК-изображение фрагмента слитка, полученное при его обследовании вдоль оси. На фотографии отчетливо видны кристаллические зерна и другие оптические неоднородности, природа которых не исследовалась.
прибор должен быть матричным, причем формат ИК матрицы должен быть достаточно высоким -не менее чем 256 х 256 элементов.
Предложенный подход был проверен экспериментально на фрагментах слитков мультикрис-таллического кремния для солнечных батарей, предоставленных Подольским химико-металлургическим заводом.
ЭКСПЕРИМЕНТ
В проведенном эксперименте была использована матричная тепловизионная камера "ЛИК-2", работающая в спектральном диапазоне 3-5 мкм. Приведем основные технические характеристики примененного прибора:
3-5
матрица диодов Шоттки Р181/Б1
ПЗС
256 х 256
не более 80
60
не более 0.03 при 35°С (2-5) х 10-7 25 (50)
заливной криостат жидкий азот не более 5 270 х 120 х 160 3.2
Рис. 3 демонстрирует изображения просверленных в слитке отверстий.
Помимо фрагментов слитков с необработанной боковой поверхностью исследовался фрагмент слитка с выровненным диаметром. Из-за сильного рассеяния ИК-излучения шероховатостью боковой поверхности этого слитка получить изображение его внутренних оптических неодно-родностей не удалось.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключение отметим, что предлагаемый в настоящей статье метод применим для диагностики слитков не только кремния, но и многих других полупроводников. При диагностике достаточно широкозонных материалов, таких как, например, 81, ве, ваЛ8, 1пР (Её > 0.5 эВ), могут применяться как тепловизионные приборы, работающие в спектральном диапазоне 3-5 мкм, так и приборы,
432
ЮРЬЕВ и др.
работающие в длинноволновой части среднего ИК-диапазона (8-14 мкм). Для диагностики же узкозонных полупроводников (например, 1пЛ8 или 1п8Ь) следует применять приборы, работающие в спектральном диапазоне 8-14 мкм.
Весьма значительное увеличение чувствительности метода к слабым оптическим неоднородно-стям будет достигнуто, когда будут спроектированы и изготовлены специальные темнопольные или фа-зово-контрастные объективы для средневолнового (3-5 мкм) и длинноволнового (8-14 мкм) окон прозрачности атмосферы в среднем инфракрасном диапазоне спектра.
Авторы выражают признательность ПХМЗ, предоставившему экспериментальные образцы мультикристаллического кремния.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Юрьев В.А., Калинушкин В.П. Сверхкрупные дефекты в CZ Si:B // Микроэлектроника. 2001. Т. 30. № 3. С. 203-204.
2. Астафьев О.В., Бузынин АН., Бувальцев А.И., Мурин Д.И., Калинушкин В.П, Плоппа М.Г. Классификация крупномасштабных примесных скоплений в кремнии, выращенном методом Чохральского и легированном бором // ФТП. 1990. Т. 28. С. 407-415.
3. Сондаевский В.П, Калинушкин В.П, Акимов В.М., Брагилевский В.Е., Лизейкин В.П., Комаров Н.В, Патрашин А.И., Савин А.В., Щукин С В. Оптические и электрофизические свойства сверхтонких фоточувствительных структур на основе барьеров Шоттки // Микроэлектроника. 1997. Т. 26. № 3. С. 202-208.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.