Prediction of critical damage in silicon wafers during rapid thermal processing

Resumen

Durante la producción de obleas de silicio pueden aparecer grietas en el borde debido a desalineaciones en las pinzas robóticas que las manipulan. Durante procesos térmicos de recocido rápido, algunas de estas grietas pueden propagar y romper las obleas en pequeños trozos, obligando a parar la línea de producción. El impacto económico se estima en unos 2 millones de euros anuales por cada línea de fabricación de obleas de 300 mm. Además, aquellos defectos que no se eliminan completamente en la etapa de pulido final constituyen fuentes de dislocaciones y bandas de deslizamiento que proliferan durante el recocido. Éstas tienen una influencia en detrimento de las propiedades de los sistemas electrónicos, disminuyendo su eficiencia. El principal objetivo de este trabajo de investigación es desarrollar una herramienta capaz de predecir si una oblea de silicio con una grieta dada romperá durante el proceso térmico. Para ello, es necesario entender el estado de tensiones inducido por los gradientes térmicos. Se ha desarrollado una metodología para introducir daño controlado basado en indentación y tratamientos de recocido rápido para determinar las condiciones de fractura. En primer lugar, se ha caracterizado el daño producido por nanoindentación utilizando diversas técnicas de imagen como microscopía óptica, microscopía electrónica de barrido (SEM, FEGSEM) y de transmisión (TEM, STEM), y tomografía asistida por FIB en combinación con reconstrucción de imágenes en 3D, para describir específicamente los sistemas de grietas bajo la superficie. Posteriormente, se han realizado indentaciones Vickers a cargas mayores en el borde de obleas de silicio de 200 mm de diámetro con orientación (100) y pulidas por ambos lados para producir defectos críticos. Se ha desarrollado un modelo de elementos finitos del horno de recocido rápido para simular las distribuciones de temperatura en las obleas. Las tensiones de origen térmico se han calculado a partir de los resultados de temperatura, y se ha comparado su distribución con los patrones de fractura que se han observado experimentalmente en las obleas. Por otro lado, se han calculado las tensiones resueltas de cortadura en los sistemas de deslizamiento {111}<110>, y se han comparado con los patrones de distribución de bandas de deslizamiento asociadas al tratamiento térmico. Finalmente, se ha desarrollado una herramienta de predicción de daño catastrófico basada en las condiciones experimentales. La respuesta se da en términos probabilísticos como la probabilidad de propagación de una grieta en la oblea durante el tratamiento térmico. Los parámetros críticos han sido identificados y tratados estadísticamente utilizando una regresión lineal multivariable. Inclusive, el parámetro que define la grieta se ha incluido de dos formas diferentes: por una parte, basado en un factor κ definido como el cociente entre la longitud y la anchura de la imagen por difracción de rayos X de la grieta y, por otra parte, se ha utilizado la raíz cuadrada de la longitud de grieta medida mediante microscopía óptica. Esta herramienta podría ser útil para las compañías de fabricación de semiconductores, con la posibilidad de implementarse en un sistema de imagen por difracción de rayos X para evitar el fallo catastrófico y mejorar los procedimientos de manipulación de obleas.