Устройство для определения наличия упругих деформаций в монокристаллических пластинах

Устройство для определения наличия упругих деформаций в монокристаллических пластинах
Предлагаемая полезная модель относится к рентгеновским средствам для выявления наличия упругих деформаций в монокристаллических пластинах и предназначена, в частности, для использования при контроле в производстве подложек для микросхем в микроэлектронике.
Известно устройство для выявления наличия упругих деформаций в монокристалле, с помощью которого реализуют метод, основанный на взаимодействии с монокристаллом монохроматического инфракрасного излучения (см.: Y. Kawano et. AL, Infra Red System GaAs/AlGaAs., J.Appl. Phys. 2001, 89, p. 4037 1) . В местах нарушения периодичности и ориентировки кристаллической решётки наблюдаются интерференционные максимумы инфракрасного излучения, фиксируемые полупроводниковыми датчиками. В монокристаллических материалах с металлическими межатомными связями (германий, кремний, мышьяк и др.) передача по ним тепловых колебаний приводит к размытию указанных максимумов и увеличению фона вплоть до их слияния. Это делает невозможным применение данного устройства в области производства монокристаллических пластин широкого ассортимента.
Известно также устройство, с помощью которого реализуют рентгенографический метод для выявления наличия упругих деформаций в монокристаллических пластинах (см.: O.Briimmer. Zeitschrift fur Naturforschungen, 15A, s. 875, 1960 2). Этот метод основан на выявлении
23/20 отклонений во взаимной ориентации кристаллографических плоскостей.
Поверхность монокристаллической пластины облучают широко расходящимся рентгеновским пучком. Дифрагированное излучение регистрируют на плоской фотоплёнке. Зарегистрированную интерференционную картину дифракции сравнивают с картиной, полученной от эталонной монокристаллической пластины, и по степени их расхождения судят о наличии или отсутствии упругих деформаций в контролируемой монокристаллической пластине. Угловую расходимость облучающего пучка устанавливают таким образом, чтобы обеспечить выполнение условия дифракции для двух-трёх семейств кристаллографических плоскостей. Устройство, известное из 2, содержит средство для позиционирования контролируемой монокристаллической пластины и источник рентгеновского излучения со средством формирования пучка этого излучения. Сформированный пучок ориентирован с возможностью воздействия рентгеновского излучения на контролируемую монокристаллическую пластину, размещенную в средстве для ее позиционирования. Устройство содержит также средство для регистрации интерференционной картины дифракции, которым является фотопленка.
Для наиболее часто используемых материалов монокристаллических пластин угловая расходимость облучающего пучка может достигать 30-40°. Использование пучка с такой большой расходимостью влечёт за собой большую облучаемую площадь поверхности монокристаллической пластины, участвующую в дифракции, и, как следствие, приводит к формированию усреднённой интерференционной картины, вызванной дифракцией в разных геометрических точках поверхности. Поэтому однозначная интерпретация зарегистрированной на фотоплёнке интерференционной картины дифракции затруднена. Вследствие этого велика вероятность ошибочных результатов контроля. Кроме того, при использовании фотопленки в качестве средства для регистрации интерференционной картины для одновременного удовлетворения требований к разре1 37ЯИ7/
2
шению и контрастности необходимы большие времена экспозиции, достигающие нескольких часов. Это является принципиальным препятствием для проведения сплошного контроля в поточном производстве, вынуждая ограничиваться выборочной проверкой небольшого количества пластин.
Устройство, известное из 2, наиболее близко к предлагаемой полезной модели.
Предлагаемая полезная модель обеспечивает получение технического результата, заключаюш;егося в повышении достоверности контроля и обеспечении его экспрессности, что создает возможность сплошного контроля монокристаллических пластин на разных стадиях производственного процесса. Ниже при раскрытии предлагаемого в качестве полезной модели устройства и описании примеров его конкретного выполнения будут названы и другие виды достигаемого технического результата.
Предлагаемое в качестве полезной модели устройство, как и наиболее близкое нему, известное из 2, содержит средство для позиционирования контролируемой монокристаллической пластины и источник рентгеновского излучения со средством формирования пучка этого излучения. Сформированный пучок ориентирован с возможностью воздействия рентгеновского излучения на контролируемую монокристаллическую пластину, размещенную в средстве для ее позиционирования. Устройство содержит также средство для регистрации интерференционной картины дифракции.
Для достижения названных видов технического результата в предлагаемом качестве полезной модели устройстве, в отличие от указанного наиболее близкого к нему известного, средство формирования пучка рентгеновского излучения для воздействия на контролируемую монокристаллическую пластину выполнено в виде формирующей сходящийся пучок фокусирующей рентгеновской линзы. Линза установлена с возможностью расположения ее выходного фокуса внутри контролируемой монокристаллической пластины или с противоположной стороны по отношению к той, на которую падает указанный пучок. Фокусирующая рентгеновская линза, кроме того, установлена с возможностью одновременного обеспечения дифракции для нескольких кристаллографических плоскостей. При этом средство для регистрации интерференционной картины дифракции содержит один или несколько позиционночувствительных детекторов рентгеновского излучения, установленных с возможностью приема дифрагированного излучения во всем диапазоне углов, содержащем интерференционные максимумы, соответствующие отражениям от кристаллографических плоскостей материала контролируемой монокристаллической пластины, имеющих вид пКК, где п равно Н, К или L и различно для разных кристаллографических плоскостей.
Использование сходящегося пучка рентгеновского излучения, лучи которого пересекаются в точке, расположенной внутри контролируемой монокристаллической пластины или с противоположной стороны по отношению к той, на которую падает указанный пучок, и наличие в предлагаемом устройстве фокусирующей рентгеновской линзы, формирующей такой пучок, необходимо для обеспечения локальности воздействия. Это позволяет исключить формирование усреднённой интерференционной картины дифракции и осуществлять сканирование поверхности монокристаллической пластины с целью получения распределения упругих деформаций.
Использование при работе предлагаемого устройства отражений от кристаллографических плоскостей вида пКК, где п может соответствовать Н, К или L, необходимо для одновременного попадания этих плоскостей в отражающее положение и обеспечения совпадения общей плоскости их нормалей с плоскостью дифракции. Это, в свою очередь, позволяет контролировать изменения углов дифракции для семейств кристаллографических плоскостей, последовательно наклонённых на всё больший угол
Щ)  (по мере увеличения индекса п) относительно поверхности монокристаллической пластины. При наличии в монокристаллической пластине упругих деформаций влияние наклона плоскостей дифракции относительно поверхности на изменение угла дифракции имеет известную зависимость, что позволяет количественно оценить величину упругих деформаций. Использование в предлагаемом устройстве позиционночувствительных детекторов рентгеновского излучения для регистрации интерференционной картины дифракции обеспечивает высокую точность и экспрессность анализа, возможность сопряжения с быстродействующими вычислительными средствами для автоматизированной обработки информации, содержащейся в выходных сигналах детекторов, и отображения ее результатов. Предлагаемое устройство и его использование иллюстрируются чертежами, на которых показаны: на фиг. 1 - схема формирования дифракционной картины; на фиг. 2 - одновременные отражения несколькими кристаллографическими плоскостями; на фиг. 3 - различия в угловых положениях нормалей к плоскостям и угловых положениях интерференционных рефлексов для разных отражающих плоскостей; на фиг. 4 - геометрические соотношения для расчёта угловых положений нормали к отражающей плоскости с индексами пКК; на фиг. 5 и фиг. 6 - взаимное размещение узлов предлагаемого устройства для двух случаев расположения точки пересечения лучей сходящегося рентгеновского пучка при использовании одного протяженного позиционно-чувствительного детектора; Msvi/
на фиг. 7 а и б - взаимное размещение основных узлов предлагаемого устройства при использовании нескольких позиционночувствительных детекторов;
на фиг. 8 и фиг. 9 - соответственно, одновременная дифракция от плоскостей 111, 511 и плоскостей 111, 311 при разных значениях сходимости пучка, воздействующего на монокристаллическую пластину.
При использовании предлагаемого устройства (см. фиг. 1) на контролируемую монокристаллическую пластину 1 воздействуют сходящимся пучком 3 рентгеновского излучения и регистрируют интерференционную картину дифракции позиционно-чувствительным детектором (или несколькими позиционно-чувствительными детекторами). Позиционночувствительные детекторы размещают таким образом, чтобы их окна находились в плоскости 5, перпендикулярной поверхности монокристаллической пластины 1. Кроме того, позиционно-чувствительные детекторы должны быть размещены так, чтобы в пределах их окон находились ожидаемые положения интерференционных максимумов 7 для материала контролируемых пластин с учетом их возможных изменений при наличии упругих деформаций. Количество используемых позиционночувствительных детекторов зависит от размеров окна конкретных позиционно-чувствительных детекторов, имеющихся в распоряжении исследователя. Если имеется один позиционно-чувствительный детектор с протяженным окном, например, изогнутый по дуге окружности, которой соответствует большой угол, то может быть достаточно и одного такого детектора. Необходимо, чтобы единственный или несколько детекторов обеспечивали прием дифрагированного излучения в угловом диапазоне, включающем все интерференционные максимумы для выбранной системы кристаллографических плоскостей.
IW руемой монокристаллической пластины 1) со следами пересечения конусов 6 дифракции с плоскостью 5 детектирования. С помощью одного или нескольких позиционно-чувствительных детекторов определяют взаимное расположение этих максимумов и по нему судят о наличии упругих деформаций в контролируемой монокристаллической пластине. Воздействие на контролируемую монокристаллическую пластину осуществляют сходящимся пучком 3 рентгеновского излучения, создаваемым рентгеновской фокусирующей линзой (линзой Кумахова, см. например, патент США №5,192,869, опубл. 09.03.93 3). Точка пересечения лучей этого пучка (выходной фокус рентгеновской линзы) должна быть расположена внутри контролируемой монокристаллической пластины 1 или с противоположной стороны по отнощению к той, на которую падает указанный сходящийся пучок 3 рентгеновского излучения (для горизонтального расположения пластины 1 и пучка 3, падающего на неё сверху, как на фиг. 1, - внутри или под пластиной 1). Сходящийся пучок 3 рентгеновских лучей может быть получен также с помощью изогнутых монокристаллов, полислойных нанопокрытий, однако наиболее эффективно - с помощью поликапиллярной оптики, основанной на принципе полного внешнего отражения рентгеновского излучения (фокусирующей рентгеновской линзы Кумахова 3). Наличие в любой монокристаллической пластине кристаллографических плоскостей с двумя последними одноимёнными индексами, имеющих вид пКХ, где п может принимать значения Н, К или L (не совпадающие для разных плоскостей), приводит к следующему. При выводе одной из таких плоскостей в положение, параллельное поверхности исследуемой монокристаллической пластины (так чтобы плоскость дифракции, ортогональная этой поверхности, совпадала с кристаллографической плоскостью ОКК, перпендикулярной плоскостям пКК), происходит одновременная дифракция от тех плоскостей пКК, которые в сходящемся конусе 3 рентгеновских лучей найдут луч с углом падения на них, удовлетворяющим уравнению дифракции 2dsin0  пА,, где d - межплоскостное
расстояние для отражающего семейства плоскостей, А,- длина волны падающего рентгеновского излучения, п - порядок отражения, 0 - угол дифракции. На фиг. 2 плоскость ОКК, совпадающая с плоскостью дифракции, обозначена цифрой 4 и является диагональной плоскостью куба. В качестве примера выбраны плоскости 111, 311, 511. Плоскости 111 и 511 в производстве монокристаллических пластин из кремния, в зависимости от задач, являются базовыми, то есть выведенными в положение, параллельное поверхности монокристаллической пластины. Наиболее часто монокристаллические пластины из кремния производят с базовой плоскостью 111, поэтому на фиг. 2 и далее рассматривается именно этот случай, хотя все рассуждения остаются справедливыми и для случая с базовой плоскостью 511.
Сформированный рентгеновской фокусирующей линзой 11 (на фиг. 2 показан только ее выходной торец 2) сходящийся пучок 3 рентгеновских лучей с углом у сходимости облучает очень малый участок поверхности - зону 8 облучения монокристаллической пластины 1. Согласно приведенному выще основному уравнению дифракции из общего числа рентгеновских лучей в сходящемся пучке 3 каждая плоскость (111, 311, 511) «выбирает для себя подходящий для соблюдения условия дифракции падающий на неё под определённым углом рентгеновский луч. Если угол у сходимости пучка 3 достаточен для того, чтобы в нём содержались такие лучи для всех указанных плоскостей, каждая из них даёт отражение 6 под углом дифракции к этой кристаллографической плоскости. Нроведя в плоскости 4 окружность 9 с центром в зоне 8 облучения монокристаллической пластины 1, можно в равноудалённых от зоны облучения участках 7 установить позиционно-чувствительный детектор (детекторы) для одновременной фиксации всей интерференционной картины дифракции в плоскости 4.
8
Если угол между кристаллографическими плоскостями ККК и 1ЖК обозначить а (см. фиг. 3), то для кубической решётки в общем случае угол между плоскостями с индексами hi ki li и h2 k2 Ь может быть найден по формуле:
cos« h..+U.
/72 72 j2 /72 72 j2 .
,+/, V/Z2+A:2+/2
Это угол между нормалями NI иМ2 к плоскостям НКК и ККК (фиг. 3), однако он совсем не равен угловому расстоянию между интерференционными максимумами при дифракции от плоскостей ККК и НКК, который зависит ещё и от межплоскостного расстояния d, разного для плоскостей ККК и НКК. Ноэтому сходящийся пучок 3, сформированный рентгеновской линзой 11, попадающий в зону 8  на поверхности монокристаллической пластины 1 с базовой плоскостью ККК и имеющий в себе луч, попадающий на систему плоскостей НКК под углом дифракции к этим плоскостям, отклонится на совсем другой угол, чем от системы плоскостей ККК, условно развёрнутой на угол а и приведённой в положение НКК.
В общем случае нужно исходить из тригонометрических соотношений, иллюстрированных фиг. 4.
На этом чертеже изображен единичный куб, ориентация которого в идеальном монокристалле относительно поверхности зависит от системы координат. Обозначим угол наклона нормали к отражающим плоскостям, не параллельным поверхности, через а, то есть а - угол между нормалями ANi и АХ к исследуемым плоскостям. Нлоскостью дифракции в этом случае является плоскость ANiX. Если в результате упругих деформаций кристаллической решётки монокристаллической пластины плоскость ANiX наклоняется относительно нормали ANi на угол р, то есть переходит в положение AN2T, и, соответственно, направление АХ станоiMb Lвится направлением AT, то угол для угла у между новой нормалью AT к
исследуемой плоскости и нормалью ANi можно получить следующую формулу: COS 7
10
1
tg  / + 1
с помощью этой формулы для изменения угла наклона нормали для каждого угла наклона плоскости дифракции можно найти угол наклона Т  (3 дифракционной плоскости, при котором необходимо получить искомое направление проекции нормали на поверхность монокристалла, то есть решить обратную задачу: по углу у определить угол Р, зная угол а. Иначе говоря, можно не только проводить измерение упругой деформации кристаллической решётки исследуемой монокристаллической пластины при меньщем числе экспозиций, заранее устанавливая позиционно- чувствительный детектор на рассчитанный угол, но и определять деформации в направлениях при анизотропной задаче.
Ряд специалистов интерпретирует упругие деформации в монокристалле, как наличие в нём напряжений. С учетом этой интерпретации предлагаемые изобретения пригодны также для определения наличия таких напряжений.
Предлагаемое устройство для определения наличия упругих деформаций в монокристаллических пластинах (фиг. 5) содержит рентгеновскую трубку 12, рентгеновскую линзу 11с выходным торцом 2 для формирования сходящегося рентгеновского пучка 3, систему 14 двухкоординатного позиционирования исследуемой монокристаллической пластины 1 и позиционно-чувствительный детектор 13 или набор позиционно чувствительных детекторов, размещённых на одной дуге напротив ожидаемых положений интерференционных максимумов дифракции от исследуемых кристаллографических плоскостей. Средство формирования
пучка рентгеновского излучения для воздействия на контролируемую монокристаллическую пластину - рентгеновская линза 11 - выполнено с возможностью формирования сходящегося нучка 3. Точка пересечения лучей этого пучка (выходной фокус линзы И) расположена внутри (под поверхностью) контролируемой монокристаллической пластины 1 (фиг. 5) или под этой пластиной. В случае ухода указанной точки глубоко под поверхность или выхода её с противоположной стороны контролируемой монокристаллической пластины по отношению к той, на которую падает пучок 3 (фиг. 6), увеличивается размер зоны 8 облучения на поверхности пластины 1. В этом случае данные об упругих деформациях кристаллической решётки усредняются по контролируемой площади, интерференционные максимумы дифракции становятся шире, сохраняя координату центра тяжести максимума только на больших углах дифракции. На фиг. 6 видно, как заметно увеличивается асимметрия отражения ККК по отношению к отражениям НКК, и, тем более, к отражению LKK. Значительное дальнейшее увеличение зоны облучения приводит к тем же ошибкам при контроле упругих деформаций в кристаллической решётке монокристаллической пластины, которые свойственны известному средству 2, наиболее близкому к предлагаемому.
Интерференционные максимумы, соответствующие отражениям от кристаллографических плоскостей материала контролируемой монокристаллической пластины, имеющих вид пКК, где п может принимать значения Н, К или L (различные для разных выбранных кристаллографических плоскостей), могут регистрироваться как двумя позиционночувствительными детекторами (фиг. 1а так и одним с большим углом одновременной регистрации. С другой стороны от рентгеновской трубки
12с линзой 11, в случае установки их на большие углы отражения (фиг. 76), может быть размещён ещё один позиционно-чувствительный детектор 13. Схемы размещения позиционно-чувствительных детекторов
контролируемой монокристаллической пластины 1 на несущей дуге 15 могут быть различными в зависимости от задач исследования . Все углы взаимной дезориентации кристаллографических плоскостей типа пКК всегда отсчитываются от базовой плоскости монокристаллической пластины ККК или любой из пКХ, в зависимости от изготовления пластин. Погрешность в выведении кристаллографической плоскости в базовую устанавливается на рентгеновском дифрактометре-компараторе и заносится в паспорт серии полуфабрикатов монокристаллических пластин на первой стадии их производства. Процесс определения наличия упругих деформаций в монокристаллических пластинах с помощью предлагаемого устройства может быть автоматизирован. Для этого при использовании устройства выходы входящих в его состав одного или нескольких позиционночувствительных детекторов подключают к средству для обработки их выходных сигналов и отображения информации, являющейся результатом обработки. Это средство выполнено с возможностью определения взаимного расположения указанных интерференционных максимумов и сравнения его с эталонным для указанной системы кристаллографических плоскостей материала контролируемой монокристаллической пластины. Па примере монокристаллических пластин кремния с базовой плоскостью 111 была опробована и показана возможность получения дифракционной картины и определения взаимной ориентации кристаллографических плоскостей 111, 311, 511 по смещению центров тяжестей их интерференционных максимумов даже при использовании рентгеновских линз с малой угловой сходимостью для рентгеновских трубок с анодом из кобальта. Па фиг. 8 показана одновременная дифракция от плоскостей 111 и 511 при угловой сходимости у  4°, а на фиг. 9 - одновременная дифракция от плоскостей 111 и 311 при угловой сходимости у  3° для рентгеновских трубок с анодом из ванадия. При использовании рентгеновской 12
линзы с угловой сходимостью у  ° для кремниевой монокристаллической пластины могут быть выполнены условия одновременной дифракции для плоскостей 111,311,511.
Эти же условия одновременной дифракции от плоскостей 111,311 и 511 для кремниевых монокристаллических пластин могут быть выполнены и при использовании рентгеновской линзы с угловой сходимостью у менее 5°. Для этого необходимо использовать рентгеновскую трубку со смешанным анодом Co-V. Тогда присутствующие в первичном рентгеновском пучке две длины волны Ка - серии Со и V позволят не только получить одновременнз ю интерференционную картину дифракции от указанных плоскостей, но и получить её при двух разных длинах волн. Это особенно важно, так как наличие одновременного отражения от кристаллографических плоскостей 111 в кобальтовом и ванадиевом излучении даёт наиточнейший естественный эталон угловых измерений всех остальных величин. Интерференционные максимумы не перекрываются, и в излучении Со Ка-отражают плоскости 111 и 511, а в излучении V
Ка - плоскости 111 И 311.
в экспериментах с использованием рентгеновской трубки мощностью 10 Вт и рентгеновских линз, имеющих названные выше величины углов сходимости формируемого пучка, было достигнуто определение центров тяжести интерференционных максимумов с погрешностью 12 угловых секунд при временах экспозиции до 20 секунд,
Источники информации
1.Y. Kawano et. Al., Infra Red System GaAs/AlGaAs., J.Appl. Phys. 2001, 89, p. 4037.
2.O. Brummer. Zeitschrift ftir Naturforschungen, ISA, s. 875,1960.