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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:bsz:25-opus-84644
URL: http://www.freidok.uni-freiburg.de/volltexte/8464/


Wittge, Jochen

In situ investigation of defects in semiconductors

In Situ Erforschung von Defekten in Halbleitern

Dokument1.pdf (8.078 KB) (md5sum: 7f477e55091dbc0b1c9d3100ff6a6bf2)

Kurzfassung in Englisch

Dislocations and slip bands which originate from micro-cracks and other defects in silicon wafers during rapid thermal processing have a detrimental influence on the properties of electronic devices. Many of these defects originate at the edges of wafers. The characterization of these defects can be easily done with white beam synchrotron X-ray diffraction imaging (also known as white beam synchrotron X-ray topography). In the experiments, well defined defects were generated at the surface of silicon wafers, using a nanoindenter with a Berkovich or Vickers tip. The applied forces for the indents vary from 100 to 600 mN for the Berkovich tip and from 2 to 50 N for the Vickers tip. Micro-cracks are produced near the apices of the indentations. The length of the micro-cracks is linearly dependent on the applied indentation force. To observe dislocations and slip bands from the indentation induced damage and to analyse them, ex situ and in situ experiments on 200 and 300 mm diameter silicon wafers, as well as on small 20 x 20 mm2 samples were performed. For the ex situ experiments a few 300 mm wafers, which had been damaged by a known fault gripper, were analysed. The 200 mm wafers have been indented and annealed by rapid thermal annealing (RTA) processes in an industrial RTA furnace. Additionally several in situ experiments on small 20 x 20 mm2 samples at high temperatures with a double ellipsoidal mirror furnace [Dan2010] and with a CCD-camera system [Dan2008], installed at the Topo-Tomo beamline of the ANKA Synchrotron, Karlsruhe, Germany, were performed, in order to generate and observe dislocations and slip bands growing from the defined indentations. The samples were annealed by RTA processes up to 1000°C in the presence of high vertical and horizontal temperature gradients. The segments of such generated dislocation loops glide along pairs of inclined {111} planes initially parallel to the strongest temperature gradient with constant velocity, and after some time, depending on the indentation load and applied temperature, also along the lower temperature gradient. A doubling in velocity of the inclined 60° segments was observed after the segments parallel to the wafer surface exit from the rear surface. With the in situ observations a model for thermal slip bands from defects, e.g. indentations, will be proposed. Furthermore the cracking behaviour of a pre-cracked sample was observed ex situ and in situ with white beam synchrotron X-ray topography. Due to these observations a parameter for wafer breakage was defined, from which the cracking behaviour could be predicted.


Kurzfassung in Deutsch

Versetzungen und Slip Bands, welche durch schnelle thermische Prozesse an Mikrorissen und anderen Defekten in Silizium Wafern entstehen, haben einen nachteiligen Einfluß auf die Eigenschaften von elektronischen Bauteilen. Viele dieser Defekte entstehen am Rand der Wafer. Die Charakterisierung dieser Defekte kann mittels Weiß Strahl Synchrotron X-ray diffraction imaging (auch bekannt als Weiß Strahl Synchrotron Topographie) leicht durchgeführt werden. Für die Experimente wurden durch Nanoindentierung mit einer Berkovich und einer Vickers Spitze klar definierte Defekte auf der Oberfläche von Silizium Wafern aufgebracht. Die aufgewandten Eindruckkräfte betrugen dabei zwischen 100 und 600 mN für die Berkovich Spitze und zwischen 2 und 50 N für die Vickers Spitze. In der Nähe der Ecken der Eindrücke entstehen Mikrorisse, deren Länge linear von der verwendeten Eindruckkraft abhängig ist. Zur Beobachtung und Analyse der Versetzungen und Slip Bands, welche von diesen definierten Defekten ausgehen, wurde eine Reihe von Ex Situ und In Situ Experimenten sowohl an 200 und 300 mm Silizium Wafern als auch an kleinen 20 x 20 mm² Proben durchgeführt. Für die Ex Situ Experimente standen als Proben einige durch einen defekten industriellen Greifer beschädigte 300 mm Wafer zur Verfügung. Die 200 mm Wafer wurden dagegen mit definierten Defekten versehen und mittels eines industriellen RTA (rapid thermal anneling) Ofens schnellen thermischen Prozessen unterzogen. Zusätzlich wurden Hochtemperatur In Situ Experimente an 20 x 20 mm² Proben in einem Doppel Ellipsoid Spiegelofen [Dan2010] mit einem CCD Kamera System [Dan2008] an der Topo-Tomo Beamline des Synchrotron ANKA in Karlsruhe durchgeführt. Die Proben wurden dabei schnellen thermischen Prozessen bis 1000°C mit hohen vertikalen und horizontalen Temperaturgradienten ausgesetzt. Hierbei wurde die Entstehung von Versetzungen und Slip Bands entlang der definierten Defekte beobachtet. Die Segmente der dabei erzeugten Versetzungsringe gleiten zu Beginn entlang von Paaren von {111} Ebenen, parallel zum höhsten Temperaturgradienten, mit konstanter Geschwindigkeit, sowie ¬ abhängig von der Eindruckstärke und der angelegten Temperatur nach einiger Zeit auch parallel zum niedrigeren Temperaturgradienten. Beim Ausstechen der Versetzungsringe auf der Rückseite der Probe wird desweiteren eine Verdopplung der Geschwindigkeit der zurückbleibenden 60° Segmente beobachtet. Mit Hilfe der In Situ Beobachtungen wird ein Modell für die Entstehung von thermisch induzierten Slip Bands entwickelt. Weiterhin wurde die Rissentstehung an bereits angebrochen Proben mittels Ex Situ und In Situ Weiß Strahl Synchrotron Topographie untersucht. Auf Grund dieser Beobachtungen wurde ein Parameter für den Waferbruch definiert, mit dessen Hilfe das Bruchverhalten vorhergesagt werden kann.


SWD-Schlagwörter: In Situ
Freie Schlagwörter (englisch): White Beam Topography , High Temperature , Silicon , Defects
PACS Klassifikation 61.72.Ff , 61.72.-y
Institut: Kristallographisches Institut
Fakultät: Fakultät für Chemie, Pharmazie und Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften, Geologie
Dokumentart: Dissertation
Erstgutachter: Cröll, Arne (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 27.01.2012
Erstellungsjahr: 2011
Publikationsdatum: 08.02.2012
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