シリコンウェハの結晶の方向指数

質問

単結晶シリコンウェハには(100)、(110)、(111)面の面方位のウェハがありますが、例えば(100)面のウェハの方向指数？<100>、<110>方向（原子から原子までの距離の違い？）がわかる方法というのはあるのでしょうか？
また、(110)、(111)面のウェハでも方向指数がわかる方法はあるでしょうか？
できれば、教えていただきたいです。
参考になるサイトなどがあればURLでも結構です。
よろしくお願いします。

回答No.4

curvingmas · ベストアンサー

Ｓｉ単結晶のＸ線回折測定といっても色々な種類があります。
行いたい測定によって、必要とされる装置も異なってきます、メールからは読み取りにくいので一般論で書いてみます。

１、単純に今お手持ちのウエハの面方位を知りたいのでしたら、通常のＸＲＤでも測定可能です。
管球がＣｕでしたら２θを、(100)でしたら69.2°(110)なら47.3°(111)なら28.5°に固定し、DSは出来るだけ細くして、RSとSSはOPENにして、θ単独スキャン測定を行います。
測定角度は上記２θ角の半分±５°位で良いと思います（例えば(100)なら29.6°～39.6°等）
設定した２θ角とサンプルの面方位が合っていればピークが得られますし、合ってなければピークは何も出ません。
ただしSiウエハには４°OFFという種類のウエハがあり、このタイプの場合サンプルを９０°づつ回して測定しないと、ピークが得られない事があります。

２、例えば(100)サンプルを使用して、(110)や(111)の反射を測定したいということになりますと、サンプルをあおり方向や回転方向に動かさないと、ピークが得られませんので（軸たてと言います）、前後あおり回転方向に移動制御可能な試料ステージが必要になります。

３、(100)サンプルの(110)や(111)反射が、理論的にどの方向に出るかが判ればよろしいのでしたら、ステレオ投影図と言うものがあります、印刷されたものの他にフリーソフトなどもあるようです。

４、ウエハの結晶性やエピ層の評価をしたいとなりますと、通常のＸＲＤでは無理で、薄膜測定専用の装置が必要になってしまいます。

５、Ｓｉ半導体メーカーは、通常のＸＲＤのような汎用機では無く、ラインのそれぞれの工程ごとに、専用のＸ線装置を何種類も持っていて、方位や角度ズレを測定をして管理しています。

回答No.3

nzw

XRDの場合、Braggの回折条件を満たす方向にピークが現れるのですから、X線の入射角度と、ディテクターの相対角度の双方をふって、ピークを探すことによりどのような向きに、どれだけの間隔の面があるかを知る事ができます。

　今回の場合は、サンプルがSi単結晶であることがわかっているので、回折を起こす面とその間隔はすでにわかっています。つまり、ピークが出る入射角とディテクタとの相対角度がわかっており、あとはピークが出る基板の角度を調べるだけということになります。

　私は薄膜用のXRD装置しか触った事が無いので、粉末用の装置にどのようなゴニオメーターがついているのかは申し訳ありませんがわかりません。もしかすると何らかの制限があり、測定できないかもしれません。また、普段使っているソフトでは解析ができないかもしれません。

　XRD装置メーカーに相談されるのがいいのではないかと思います。

お礼

詳しいアドバイスありがとうございました。
また、わからないことがあれば質問するかもしれませんが、いったん装置メーカーに聞いてみようと思います。

回答No.2

nzw

最も確実なのは、X線回折を使う方法だと思います。
ただ、
・通常大きな基板のままでは測定できないため、サンプルをきざむ必要があること
・通常、プロセス中に使う装置ではないので、測定をしたサンプルは汚染の恐れがあるので、プロセス装置には戻しにくいこと
などから、これから半導体製造プロセスに使う基板そのものを測定するのは困難だと思います。

その基板がすべて同じ仕様であることがわかっているのなら、何枚かを犠牲にして測定すればよいでしょう。

もし、MBE装置があるのであれば、RHEED（高速電子線回折装置）が取り付けられている可能性が高いので、こちらの回折パターンから特定できる可能性もあります。これならば、清浄度を保ったまま測定できます。

ただ、XRDとはちがってRHEEDは最表面の情報しか拾わないので、自然酸化膜などがあると測定は困難で、清浄化表面を出す技術が求められます。また、表面再構成構造などの知識もないと、測定したパターンの解釈ができないため、ちょっと扱いが難しいでしょう。
同様に、AFMを用いて表面原子配列を調べてもわかるかと思いますが、こちらの装置もどこにでもあるという訳ではありませんね。

　いずれにせよ、通常のSiラインには方位を簡単、確実に調べられる装置は無いと思います。

お礼

さっそくのアドバイス、ありがとうございました。
一応、粉末Ｘ線回折装置XRD-RINTが使える状態なのですが、それでnzwさんが述べられたようにサンプルをきざんでも良くて、汚染などの心配もしなくても良いなら、測定できるのでしょうか？
またX線回折を使って<100><110>を調べるには、どんな測定データを得て、解析する必要があるのでしょうか？

回答No.1

e_beam

お手元にシリコンウエーハがあるのでしたら、オリエンテーションフラット（通称“オリフラ”）と呼ばれる方向を示すために加工された面があると思いますので、納入業者の方などを通じて確認されてはいかがでしょうか？

一般的には、シリコン単結晶では、（111）がもっとも結合手の密度が高いためにこの面を保ちながら、＜110＞方向にヘキカイと呼ばれる原子オーダーの平坦さを保ちながら結晶が破壊されます。（上手に力を加えないと、ヘキカイでない破壊が生じます。ヘキカイでできた面はミラー面と呼ばれ、本当に鏡のようにきれいです。）

通常（100）と等価な面でウエーハが流通しているとすると、おそらくオリフラは＜110＞で、この面上ではオリフラと直行あるいは平行な方向にダイアモンドカッターなどの刃先を軽く当てればヘキカイができると思います。

お礼

書き込む場所を間違えてしまいました。
また同じ内容すいません。
詳しい御回答ありがとうございます。
参考にさせていただきます。
また、一部切断されていて円形が四角形になってしまっているオリフラの無いウェハを大量に頂いたのですが（もしかしてガラクタ？）、それらのウェハの方向は装置などでも調べることはもう出来ないのでしょうか？
また、実際ウェハを作っている会社はどうやって調べているのでしょうか？

補足

詳しい御回答ありがとうございます。
参考にさせていただきます。
また、一部切断されていて円形が四角形になってしまっているオリフラの無いウェハを大量に頂いたのですが（もしかしてガラクタ？）、それらのウェハの方向は装置などでも調べることはもう出来ないのでしょうか？
また、実際ウェハを作っている会社はどうやって調べているのでしょうか？