Methoden zur Präparation und Charakterisierung von time dependent haze auf Siliziumoberflächen

  • Zwischen der Herstellung von Siliziumwafern und ihrer weiteren Verarbeitung zu Halbleiterbauelementen liegt eine Zeitspanne, in welcher die Scheiben in Kunststoffboxen aufbewahrt werden. Während dieser Lagerung kann es zu einem Ansteigen der Oberflächenrauhigkeit kommen. Dieses Phänomen wird als Time Dependent Haze (TDH) bezeichnet und durch chemische Prozesse von Verunreinigungen auf der Siliziumoberfläche verursacht. Diese Kontaminationen entstammen dem Kunststoff der Transportboxen, der Reinraumluft oder den Chemikalien der naßchemischen Waferreinigung. Time Dependent Haze wurde künstlich hergestellt und charakterisiert. Die Präparationen erfolgten in verschiedenen Versuchsreihen mit organischen und anorganischen Verbindungen. Diese gezielten Kontaminationen erlauben Rückschlüsse auf Substanzen und Einflußgrößen, welche TDH verursachen. Nach einer Lagerungsperiode wurden die Siliziumoberflächen mittels Streulichtmessungen untersucht. Das Auftreten von Licht-Punkt-Defekten diente als Maßstab für die TDH-Bildung. Mit verschiedenen analytischen Methoden, insbesondere dem Rasterkraftmikroskop, wurde TDH in einem frühen Entstehungszustand untersucht. Präparationen mit flüchtigen organischen Verbindungen zeigten, daß solche Substanzen TDH erzeugten, die sowohl einen hohen Dampfdruck als auch eine gute Wasserlöslichkeit besitzen. Beide Eigenschaften sind notwendig, um über die Gasphase auf die hydrophile Oberfläche eines Wafers zu gelangen. Die Morphologie dieses TDH fiel sehr unterschiedlich aus. Im Fall der Präparation mit Aceton enstanden Partikel von wenigen Nanometern Durchmesser. Die gezielte Verunreinigung mit Tetrahydrofuran führte zu einem Kontaminationsfilm mit einer sehr geringen Mikrorauhigkeit. Anorganische Verbindungen wie beispielsweise Schwefelsäure, die in der Waferreinigung Verwendung findet, können bei fehlerhaften Reinigungsschritten TDH bilden. Unter dem Einfluß einer solchen Lösung, bestehend aus H2SO4/H2O2, entstanden sulfathaltige Kristallite, welche im Verlauf der Waferlagerung agglomerierten. Das gleiche Resultat ergab eine Präparation, bei der Siliziumwafer einer Atmosphäre aus Schwefeldioxid ausgesetzt waren. Sehr wahrscheinlich existieren die Kristallisationskeime bereits unmittelbar nach der Präparation. Aufgrund ihrer geringen Größe können diese von der Streulichtmessung nicht als Partikel erfaßt werden. Erst nach mehr monatiger Waferlagerung ist das Kristallwachstum soweit fortgeschritten, daß das untere Detektionslimit der Streulichtmethode erreicht wird und die Partikel als solche registriert werden können. Auf Wafern mit organischem TDH konnte Kupfer nachgewiesen werden. Dieses Metall ist als Verunreinigung im Reinstsilizium enthalten. Es diffundiert innerhalb der Lagerungsperiode zur Oberfläche und scheidet sich ab. Dort fungiert Kupfer als Nukleationszentrum für Kontaminanten und fördert auf diese Weise die TDH-Entstehung. Experimente mit mehreren Einflußgrößen, bei welchen Siliziumwafer verschiedenen Parametern gleichzeitig ausgesetzt waren, zeigten synergetische Effekte in Bezug auf die Bildung von Time Dependent Haze. Im Vergleich zu Präparationen mit nur einem Kontaminanten lag die Zahl der neu entstandenen Licht-Punkt-Defekte unerwartet hoch. Innerhalb dieser Versuchsmatrix hatten die Anwesenheit von Ammoniumsulfat und eine hohe Luftfeuchtigkeit einen deutlichen Einfluß auf die TDH-Entstehung. Die Siliziumoberfläche wird durch einzelne Substanzen aktiviert und die Abscheidung weiterer Kontaminationen dadurch erhöht. Eine nähere Untersuchung von TDH bestehend aus verschiedenen Kontaminanten erfolgte mit Hilfe des Pulsed Force Mode/AFM. Diese Methode ermöglicht anhand der Bestimmung der Adhäsion zwischen einer AFM-Meßspitze und der Oberfläche die Unterscheidung verschiedener Materialien mit der hohen Auflösung eines Rasterkraftmikroskops. Zu Beginn der Untersuchungen erfolgte eine Evaluation der Methode. Dabei zeigte sich, daß die Adhäsion unbeeinflußt von der Partikelgröße ist. Das Adhäsionssignal ist abhängig vom Radius der AFM-Spitze und von der umgebenden Luftfeuchtigkeit. Dieses Signal setzt sich zusammen aus der Oberflächenenergie des Materials und aus dem Wasser- und Kontaminationsfilm, welcher die Oberfläche bedeckt. Adhäsionsmessungen an kontaminierten Wafern zeigten außer der rasterkraftmikroskopischen Abbildung der Oberfläche zusätzliche Strukturen. Diese deuten auf das gleichzeitige Auftreten von TDH-Partikeln mit unterschiedlicher Zusammensetzung hin. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigten ein bereits existierendes Modell zur Entstehung von Time Dependent Haze. Unter Berücksichtigung der neuen Erkenntnisse konnte dieses Modell erweitert werden.

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Metadaten
Author:Norman Münter
URN:urn:nbn:de:hebis:30-34531
Publisher:Univ.-Bibliothek
Place of publication:Frankfurt am Main
Referee:Bernd O. Kolbesen, Franz Josef Comes
Advisor:Bernd O. Kolbesen
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2006/11/30
Year of first Publication:2002
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2002/07/10
Release Date:2006/11/30
GND Keyword:Wafer; Silicium; Halbleiteroberfläche; Rauigkeit; Kontamination; Lichtstreuung
Page Number:95
First Page:1
Last Page:95
Note:
Diese Dissertation steht leider (aus urheberrechtlichen Gründen) nicht im Volltext im WWW zur Verfügung, die CD-ROM kann (auch über Fernleihe) bei der UB Frankfurt am Main ausgeliehen werden.
HeBIS-PPN:347788564
Institutes:Biochemie, Chemie und Pharmazie / Pharmazie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Licence (German):License LogoArchivex. zur Lesesaalplatznutzung § 52b UrhG