Способ и устройство для промеров, ориентирования и фиксации минимум одного монокристалла - RU2365905C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу промеров, ориентирования и фиксации минимум одного монокристалла, а также к предназначенному для этого устройству.

Монокристаллы для применения в полупроводниковой и оптической отраслях промышленности должны разрезаться, как известно, вдоль плоскостей срезов, которые имеют заданную направленность к координатным осям кристаллической решетки.

Известно, что необходимое для этого определение ориентации кристалла, т.е. соотношения кристаллографических осей с геометрическими осями, и заданное позиционирование монокристаллов на плоскости резов установки для резки, к примеру проволочной пилы, приносят значительные преимущества при реализации их вне этой установки.

Так, из документа ЕР 0802029 известно, что несколько цилиндрических монокристаллов по очереди твердо укрепляют на несущей опоре, вне установки для резки, с возможностью ориентирования относительно друг друга посредством вращательно- и поступательно-регулируемого приемного устройства таким образом, что они могут одновременно разрезаться с помощью установки для резки в определенных направлениях относительно кристаллической решетки.

Однако если при помощи устройства подготавливаются очень жесткие монокристаллы, как, например, сапфир или карбид кремния, к одновременному разрезанию в многопозиционной проволочной пиле, такое устройство подходит мало, так как при проходе режущих проволок на оставшихся свободными местах между укрепленными на несущей опоре монокристаллами могут возникать ошибочные резы на основе появляющихся перекосов при отдельных режущих проволоках.

Кроме того, является недостатком, что предложенный метод и устройство полагаются на то, что промеренные монокристаллы размещаются на несущей опоре в самом деле с необходимой точностью. По меньшей мере, дополнительный контроль исключен, так как предусмотренные для отдельных кристаллов промеры торцевых плоскостей не допускают больше никакого доступа к лежащим внутри монокристаллам после их фиксации на носителе.

Дальнейшая проблема состоит в том, что, как правило, используемые для определения ориентации кристалла рентгеновские дифрактометры, с помощью которых, например, согласно документу JP 09-033456 А, посредством тета-сканирования по очереди определяется ориентация двух плоскостей кристаллической решетки, не могут работать с необходимой для определенных приложений точностью. Это также обосновано и тем, что необходимое абсолютное соотнесение двух измерений друг к другу нельзя производить с достаточной точностью.

К приложениям, при которых требуется значительно более высокая точность реза, чем, например, в производстве кремниевых чипов, принадлежат, кроме всего прочего, производство белых светодиодов, которые уже используются для автомобильных фар и которые могут заменять в будущем также лампы накаливания и лампы флуоресценции, а также производство излучающих в синем и ультрафиолетовом спектральном диапазоне светодиодов для запоминания данных. Если для производства таких конструктивных элементов должны служить в качестве подложки сапфир или карбид кремния, то на основе необходимой гетероэпитаксии повышенная точность ориентации поверхностей является решающей для качества выращивания функциональных слоев на основе нитрида галлия.

Задачей изобретения поэтому является обеспечение повышенной точности при определении кристаллографической ориентации и ориентированной фиксации независимо от внешней геометрии монокристаллов, причем фиксация должна гарантировать высокоточное резание также при очень жестких материалах, как, например, сапфир или карбид кремния.

Согласно изобретению задача решается посредством способа промеров, ориентирования и фиксации минимум одного монокристалла,

- в котором монокристалл позиционируют для определения ориентации кристаллической решетки с возможностью юстировки на вращающемся столе и углы нормалей плоскостей кристаллической решетки к оси вращающегося стола устанавливают во время минимум одного оборота вращающегося стола при помощи рентгеноскопии, и в котором

- посредством установленных углов происходит ориентирование монокристалла относительно оси вращающегося стола, служащей как основное направление, прежде чем производится фиксация монокристалла и крепление на ориентированном в основном направлении носителе.

Предпочтительно монокристалл позиционируется на вращающемся столе с возможностью поворота вокруг двух поворотных осей таким образом, что точка пересечения поворотных осей служит как точка отражения для рентгеновского луча, с помощью которого при вращении позиционированного на вращающемся столе монокристалла производятся рефлексы от нескольких плоскостей кристаллической решетки для определения углов.

В случае, когда в обрабатывающей машине или установке должны обрабатываться одновременно два или более монокристаллов с одинаковой или разной ориентацией, особый способ реализации изобретения предусматривает, что несколько монокристаллов позиционируются в отдельности, по очереди, для формирования стопки друг над другом, промеряются, определенным образом ориентируются, фиксируются, а затем сложенные в стопку монокристаллы одновременно твердо связываются с ориентированным по основному направлению носителем.

Зафиксированная ориентация отдельных монокристаллов может дополнительно проверяться, и при имеющихся отклонениях от заданной ориентации может производиться обновленное ориентирование и фиксация.

По требованию перед окончательным фиксированием между смежными монокристаллами вносится подходящее клеящее вещество, чтобы заполнять щель между монокристаллами, принимая во внимание последующие этапы обработки, и сделать возможным стабильный столбик.

Для этого слой клеящего вещества может наноситься на уже ориентированно зафиксированный монокристалл, и предусмотренный для образования стопки следующий монокристалл может накладываться на слой клеящего вещества перед промером, ориентированием и фиксацией. Время затвердевания клеящего вещества должно превышать период промера, ориентирования и фиксации следующего монокристалла.

Изобретение может быть далее выполнено так, что на каждый монокристалл перед позиционированием кристаллографически ориентированно наносится вспомогательный носитель, который служит для соединения с общим носителем.

С помощью изобретения, по сравнению с известными решениями, достигают лучшей, примерно на порядок, точности ориентации при приклеивании монокристаллов на носителе.

Выгодным образом изобретение допускает проверку результатов склеивания, при которой связанные с общим носителем монокристаллы проверяются на реально достигнутую ориентацию кристаллической решетки на грани кристалла, приблизительно перпендикулярной к первоначально служившей как измерительная площадь грани кристалла, с помощью подходящих рентгеновских рефлексов. Для этого зафиксированная на носителе стопка монокристаллов по своему направлению стопки позиционируется подвижно, перпендикулярно к оси вращающегося стола, так что точка отражения может каждый раз ложиться на измеряемый монокристалл.

С помощью соответствующего изобретению способа возможны измерения в различных подходящих плоскостях кристаллической решетки из любых геометрических позиций, и могут ориентироваться и фиксироваться монокристаллы любой конфигурации и любого вида, так как монокристаллы остаются в устройстве, и промеры, и ориентирование основываются только на чисто кристаллографических параметрах.

Таким образом, является несущественным, выполнен ли монокристалл дискообразно (пластина) или образует круглый или квадратный цилиндр (слиток) и поддается ли определению геометрическая ось или нет. Также может промеряться, ориентироваться и фиксироваться абсолютно нерегулярный (внешне) монокристалл.

Результаты измерения регистрируются в течение всего измерительного периода (например, во время непрерывного или пошагового поворота монокристалла вокруг 360°). Необходимой точности измерения можно достигать либо выбором скорости вращения во время измерения или, соответственно, продолжительности измерения за измерительный шаг, либо накоплением результатов измерения в течение нескольких измерительных периодов.

Далее, вышеуказанная задача решается соответствующим изобретению устройством для промеров, ориентирования и фиксации минимум одного монокристалла, которое содержит

- вращающийся стол с приемным устройством для минимум одного крепления кристалла, которое имеет узел юстировки и фиксации для ориентирования кристаллической решетки монокристалла к оси вращающегося стола как основному направлению и для ориентированной фиксации монокристалла,

- передвижную по высоте против вращающегося стола установку источника рентгеновского излучения и детектора, с помощью которой при минимум одном обороте вращающегося стола происходит определение углов нормалей плоскостей кристаллической решетки монокристалла относительно оси вращающегося стола, причем установленные углы служат для расчета установочных значений для узла юстировки и фиксации для ориентирования кристаллической решетки монокристалла, и

- работающее в перпендикулярном к оси вращающегося стола направлении установочное средство для носителя, который служит для приема минимум одного ориентированно зафиксированного монокристалла.

Крепление кристалла состоит из внешней рамки с установленным с карданным подвесом внутренним каркасом для монокристалла и установочных средств для юстировки и фиксации монокристалла, зажатого во внутреннем каркасе. Кроме того, предусмотрен горизонтальный направляющий узел для установочных средств во внешней рамке.

Устройство особенно выгодно подходит для того, чтобы проверять достигнутую точность при ориентированной фиксации, в то время как для приема носителя с минимум одним ориентированно зафиксированным монокристаллом на вращающемся столе предусмотрен линейный направляющий узел с направлением перемещения, проходящим перпендикулярно к оси вращающегося стола.

Изобретение более подробно разъясняется ниже посредством схематических чертежей. Они показывают:

Фиг.1 - соответствующее изобретению устройство для ориентации и ориентированной фиксации минимум одного монокристалла;

Фиг.2 - устройство согласно фиг.1, в котором несколько монокристаллов сложены в стопку друг над другом и связаны с общим носителем;

Фиг.3 - устройство для приведения носителя к комплексу сложенных друг над другом в стопку монокристаллов;

Фиг.4 - эскиз для иллюстрации использованного в изобретении метода измерения для определения углов плоскостей кристаллической решетки;

Фиг.5 - расположение комплекса сложенных в стопку монокристаллов на вращающемся столе для контроля ориентирования отдельных монокристаллов.

Представленное на фиг.1 и 2 устройство содержит вращающийся стол 2, служащий для отдельного измерения монокристалла 1 или, в частности, для следующих друг за другом промеров нескольких складываемых друг над другом в стопку монокристаллов 1 (здесь - примерно цилиндрические слитки), который отличается высокими показателями синхронности и незначительным качанием оси. Для каждого уже вырезанного приблизительно параллельно предусмотренной плоскости резов монокристалла 1 предусмотрено крепление 3 кристалла, согласно фиг.3, из внешней рамки 4 с укрепленным с карданным подвесом внутренним каркасом 5 для монокристалла 1 и установочными винтами 6 с контрпружинами 7 как фиксирующими установочными средствами для юстировки и фиксации укрепленных во внутреннем каркасе 5 монокристаллов 1.

Внутренний каркас 5 крепления 3 кристалла, который жестко связан в самом низу с внешней рамкой 4 приемным элементом 8 на вращающемся столе 2, имеет днище 9 как подложку для первого монокристалла 1. Вкладываемые промежуточные подложки 10 позволяют приспособление монокристалла 1 по высоте, так что монокристалл 1 позиционируется с возможностью поворота вокруг двух, здесь предпочтительно перпендикулярно друг к другу направленных, поворотных осей 11, 12 (ось 12 перпендикулярна к плоскости чертежа) на вращающемся столе 2, так что точка пересечения поворотных осей 11, 12 служит как точка отражения для предпочтительно предусмотренного для измерений рентгеновского луча 13. Конструкция крепления 3 кристалла гарантирует, таким образом, любую юстировку монокристалла 1 без того, чтобы изменять при этом точку попадания рентгеновского луча 13 на его поверхность и, таким образом, точку отражения.

Источник 14 рентгеновского излучения для образования рентгеновского луча 13 и детектор 15 для получения рентгеновских рефлексов от нескольких плоскостей кристаллической решетки монокристалла 1 по очереди во время минимум одного оборота вращающегося стола 2 жестко ориентированы друг к другу, учитывая угол Брэгга измеряемых плоскостей кристаллической решетки и их наклон к поверхности кристалла и для приспособления точки отражения по высоте отнесены от вертикально направленной линейной направляющей 16. Окно 17 детектора (фиг.4) снабжено свинцовой маской, которая выполнена так, что к измерению попадают только желаемые рефлексы R. Для автоматической регулировки необходимой высоты относительно вращающегося стола 2 служит оптическая система.

Определение угла плоскостей кристаллической решетки, т.е. отклонения положения нормалей к плоскости NE кристаллической решетки относительно оси Х-Х вращающегося стола 2 происходит при соответствующем изобретению способе, как поясняет фиг.4, при вращающемся с постоянной скоростью или пошаговым образом столе 2, посредством измерения в плоскости NE кристаллической решетки, нормаль к которой наклонена под углом ε относительно оси вращающегося стола 2, в то время как рентгеновский луч 13 излучается под углом, отличающимся на величину δ от угла Θ_В+ε, а значит, под углом Θ_В+ε-δ (Θ_В … угол Брэгга). Это влечет за собой, что служащая для измерения плоскость NE кристаллической решетки изменяет свой наклон при вращении вращающегося стола 2 вследствие качающегося движения по отношению к падающему рентгеновскому лучу 13, и при определенных углах поворота +Ω и -Ω возникают рефлексы, из углового интервала 2Ω которых можно точно определять отклонение угла ε нормалей к плоскостям кристаллической решетки относительно оси Х-Х вращающегося стола 2 в течение нескольких секунд измерительного времени с точностью в несколько угловых секунд. Если нормаль к предусмотренной плоскости резов является приблизительно осью симметрии кристалла, например осью третьего порядка при (0001)-срезе сапфира, то в этом примере каждый раз после 120° будут иметься в наличии приблизительно равные характеристики для исполнения условия отражения, так что при полном обороте возникают 3 пары рефлексов.

Так как позиции рефлексов при многократном обороте вращающегося стола 2 могут периодически измеряться повторно, то можно выгодно образовывать средние значения, так что происходит повышение точности по сравнению со статическими измерительными методами, как, например, тета-сканирование.

Из установленных углов плоскостей кристаллической решетки посредством специального программного обеспечения рассчитываются углы наклона относительно поворотных осей 11, 12 карданной подвесной опоры, так что может производиться ориентирование относительно координатной системы устройства, в частности оси Х-Х вращающегося стола 2 как основного направления, с помощью установочных средств. Координатная система устройства имеет определенную ориентацию к направлению резки, предпочтительно они одинаково направлены.

Установочные значения могут переноситься либо вручную, либо автоматически через соответствующие не представленные здесь приводы, как, например, сервомоторы или исполнительные пьезоэлементы, на установочные средства.

После того как произошло ориентирование монокристалла 1 по отношению к оси Х-Х вращающегося стола 2, эта ориентация фиксируется установочными средствами.

В случае необходимости зафиксированная ориентация может проверяться еще раз с помощью описанного измерительного метода и в данном случае может изменяться.

Соответствующее изобретению устройство подходит особенно для того, чтобы подготавливать несколько монокристаллов 1 для одновременной обработки в установке для резки, как, например, в многопозиционной проволочной пиле. Так как монокристаллы 1 по технологическим причинам в большинстве случаев не достигают необходимой величины для оптимального наполнения проволочной пилы, обычно принято фиксировать некоторые из монокристаллов 1 ориентированно друг к другу, чтобы иметь возможность переводить их совместно в проволочную пилу и ориентировать к координатной системе проволочной пилы.

Поэтому несколько монокристаллов 1 позиционируются, согласно изобретению, в отдельности, по очереди для формирования стопки друг над другом, промеряются, определенным образом ориентируются относительно оси Х-Х вращающегося стола 2 и фиксируются, а затем, после достижения необходимой высоты стопки, одновременно жестко связываются с общим носителем 18, который реализует выравнивание в установке для резки.

Каждый из следующих монокристаллов 1 укрепляется, как позиционированный в самом низу на вращающемся столе 2 монокристалл 1, в креплении 3 кристалла, которое содержит внутренний каркас 51 без днища в отличие от крепления 3 первого монокристалла, так что каждый следующий монокристалл 1 непосредственно смежен ранее ориентированно зафиксированному монокристаллу 1.

Складывание в стопки монокристаллов 1 происходит так, что крепления 3 кристалла с внешней рамкой 4 ставятся друг над другом и жестко связываются друг с другом, так что производится соотнесение с осью Х-Х вращающегося стола 2. После того как следующее крепление 3 кристалла размещается на креплении 3 кристалла с ранее ориентированно зафиксированным монокристаллом 1, после перехода источника рентгеновского излучения 14 и детектора 15 в более высокую позицию, так что рентгеновский луч 13 направлен на следующий монокристалл 1, происходит определение углов плоскостей кристаллической решетки, ориентирование и фиксация следующего монокристалла 1 уже описанным способом.

Если, касаясь монокристаллов 1, речь идет об особенно твердом кристаллическом материале, как, например, сапфир или карбид кремния, то между соседними монокристаллами 1 может наноситься слой клеящего вещества 19, чтобы наполнять щель между монокристаллами 1 и образовывать стабильный столбик. С помощью этого можно избежать изменяющихся напряжений проволоки в режущих проволоках, которые возникают по соседству с попадающей в зазор режущей кромкой проволоки, и происходящих из-за этого ошибочных резов пил.

Необходимое клеящее вещество наносится на уже ориентированно зафиксированный монокристалл 1, на который кладется еще не промеренный и не зафиксированный ориентированно следующий монокристалл 1, с определенным предварительным выравниванием. Время затвердевания клеящего вещества избрано таким, что оно превосходит время промеров, ориентирования и фиксации следующего монокристалла 1.

После того как следующий монокристалл 1 промерен, ориентирован и зафиксирован, клеящее вещество может затвердевать. Однако это может происходить также во время наращивания, промеров, ориентирования и фиксации следующих монокристаллов 1, так как каждый из монокристаллов 1 зафиксирован в своем креплении 3 кристалла.

Для одновременной связи монокристаллов 1 с общим носителем 18 предпочтительно, когда на каждом монокристалле перед креплением в креплении 3 кристалла устанавливается выполненный, например, как формованная пластмассовая деталь, кристаллографически ориентированный вспомогательный держатель 20, например, посредством приклеивания. Вспомогательный держатель 20, который по длине не превосходит монокристалл 1, отформован соответственно наружной боковой поверхности монокристалла 1 и образует достаточно большую плоскость приклеивания к носителю 18 на его лежащей напротив формовки стороне.

Желательная ориентация определенной кристаллографической оси в направлении подачи у отрезного станка часто может устанавливаться соответствующим закреплением вспомогательных держателей 20. Для определения и маркировки места склейки проводится аналогичное рентгеновское измерение на просто лежащем на вращающемся столе 2 монокристалле 1. Приклеивание происходит вне устройства.

Далее, для одновременной связи монокристаллов 1 с общим носителем 18 во внешней рамке 4 предусмотрены соответствующие направляющие 21, а также траверса 22 склейки, причем проведенные через направляющие 21 установочные средства 23, действующие перпендикулярно к оси Х-Х вращающегося стола 2, которые удерживаемым магнитной планкой 24 носителем 18 легко прижимают расположенные в ряд вспомогательные держатели 20. Чтобы носитель 18 также мог достигать вспомогательных держателей 20, внутренние каркасы 5 имеют находящиеся друг с другом на одной прямой выемки (не представлено), в которые утапливается носитель 18. Так как плоскости приклеивания вспомогательных держателей 20 не проходят, в общем, точно параллельно друг к другу, общий носитель 18 имеет на его служащей для соединения с монокристаллами 1 поверхности выравнивающий пенообразный материал, который пропитан клеящим веществом. После затвердевания клеящего вещества стопка монокристаллов может изыматься и на основе точного исполнения носителя 18 переводиться в приемный узел проволочной пилы, так что имеется налицо желаемая ориентация кристаллической решетки к направлению реза.

Однако сначала может использоваться существенное преимущество изобретения - возможность еще раз проверять связанные друг с другом монокристаллы 1 на реально достигнутое ориентирование желаемого направления реза к кристаллической решетке.

Для этого общий носитель 18 с монокристаллами 1, согласно фиг.5, приводится на находящуюся на вращающемся столе 2 линейную направляющую 25, направление которой проходит перпендикулярно к оси Х-Х вращающегося стола 2. Для измерения выбираются рентгеновские рефлексы от плоскостей кристаллической решетки, которые лежат под соответствующими углами к оси вращения. Горизонтальным сдвигом носителя 18 (направление стрелки = направлению стопки) и изменением, в случае необходимости, взаимной ориентации источника 14 рентгеновского излучения и детектора 15 достигают того, что рентгеновский луч 13 каждый раз направляется на измеряемый монокристалл 1.

Если измерение дает в итоге, что установленные, соотнесенные с кристаллической решеткой плоскости резов каждого монокристалла 1 проходят параллельно оси Х-Х вращающегося стола 2 и перпендикулярно к направлению подачи, то склейка выполнена с необходимой высокой точностью, без перекосов кристаллов.

Реферат

Использование: для промеров, ориентирования и фиксации минимум одного монокристалла. Сущность: заключается в том, что монокристалл позиционируют для определения ориентации кристаллической решетки с возможностью юстировки на вращающемся столе, и углы нормалей плоскостей кристаллической решетки к оси вращающегося стола устанавливают во время минимум одного оборота вращающегося стола при помощи рентгеноскопии, после чего посредством установленных углов осуществляют ориентирование монокристалла относительно оси вращающегося стола, служащей как основное направление, прежде чем производится фиксация монокристалла и крепление на ориентированном в основном направлении носителе. Технический результат: обеспечение повышенной точности при определении кристаллографической ориентации и ориентированной фиксации независимо от внешней геометрии монокристаллов. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула