Photoluminescence imaging of single crystalline silicon wafers throughout wafer manufacturing process
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2024-12-27
Department
Major/Subject
Biosensing and Bioelectronics
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Life Science Technologies
Language
en
Pages
46
Series
Abstract
Czochralski (CZ) grown silicon wafers are the starting point of many microelectronic devices. The production of the wafers consists from various process steps which can induce multiple different defects into the wafers. Additional challenge is the changing state of surfaces of the wafers throughout the wafer manufacturing process. The defected wafers are scrap and loss for the wafer production. Various measurement techniques can be used to characterize quality of the wafers, but they have limitations like requirements for metal contacts with sample, surface preparation, or long measurement time. Additionally, visual inspection adds risk for damage and human error. Photoluminescence imaging (PLI) is an established technique in photovoltaic (PV) industry. In this work, its compatibility is researched for single crystalline wafer manufacturing as a quality control method. It could overcome the aforementioned limitations in existing measurement techniques. Wafers after various wafer manufacturing process steps were measured with PLI to evaluate its compatibility as a quality control method. The results were evaluated based on two points: mean PL count and PL signal homogeneity. Homogeneous PL signal with high mean PL count is ideal for the defect differentiation from the background signal. The assumption was that the wafers would need chemical treatment for good signal, but this was not the case. Additionally, the stability of the PL signal was investigated, because in the wafer manufacturing the wafers are not necessarily measured right after the processing. The mean PL counts varied quite much between the different process steps from 11 900 to 20 700 with exception value of 65 624 from a specific process step. This process step was further investigated as its homogeneity was unclear with the common measurement parameters. However, the process steps which resulted in a homogeneous PL signal, only had mean PL counts in the low- or mid-range when comparing between process steps. The results showed that the mean PL counts stayed stable in most of the samples but the ones where chemicals were major part of the processing, cleaning and etching, decrease was significant. As a conclusion, all process steps are compatible with PLI but there were differences between them. Certain manufacturing steps were defined to have easier identification of defects according to two evaluation criteria of results.Chochralski-menetelmällä (CZ) kasvatetut piikiekot ovat lähtömateriaali monille mikroelektroniikan laitteille. Kiekkojen valmistus tapahtuu useiden prosessivaiheiden kautta, jotka voivat aiheuttaa monenlaisia virheitä kiekkoihin. Lisähaasteena virheiden havaitsemisessa on kiekon muuttuva pinta tuotantoprosessin aikana. Virheelliset kiekot ovat romua ja hukkaa kiekkotuotannolle. Useilla erilaisilla menetelmillä voidaan tarkkailla kiekkojen laatua ja sen poikkeamia. Vaatimukset metallikontakteista näytteen kanssa, pinnan esivalmistelu tai pitkä mittausaika kuitenkin rajoittavat menetelmiä. Lisäksi pelkkä visuaalinen tarkastus lisää riskejä lisävaurioille ja inhimillisille virheille. Fotoluminesenssikuvantaminen on vakiintunut laaduntarkkailumenetelmä aurinkokennoteollisuudessa. Tässä työssä tutkitaan sen soveltuvuutta yksikiteisten piikiekkojen valmistuprosessin eri vaiheisiin. Kiekkoja mitattiin eri valmistusvaiheiden jälkeen fotoluminesenssikuvantamisella. Tuloksia arvioitiin luminoituvien fotonien määrän keskiarvolla ja fotoluminesenssisignaalin homogeenisuudella. Homogeeninen signaali yhdistettynä korkeaan keskiarvoon on ideaalitilanne, jotta virheet erottuvat taustasignaalista. Oletuksena oli, että kiekot tarvitsevat kemiallisen käsittelyn, jotta hyvä signaali saavutetaan, mutta tämä osoittautui vääräksi. Myös fotoluminesenssi signaalin stabiilisuutta tutkittiin, sillä tuotantoympäristössä kiekkoja ei välttämättä mitata heti prosessivaiheen jälkeen. Luminoituvien fotonien määrän keskiarvot vaihtelivat välillä 11 900-20 700, sekä poikkeusarvo 65 624 yhdestä prosessivaiheesta. Tätä prosessivaihetta tutkittiin lisää, sillä sen signaalin homogeenisyys oli epäselvä yhteisillä mittausparametreilla. Prosessivaiheissa, joissa fotoluminesenssisignaali oli homogeeninen, luminoituvien fotonien määrän keskiarvo oli alhainen tai keskinkertainen. Luminoituvien fotonien määrän keskiarvo pysyi suurimmalla osalla näytteistä vakaana ajan myötä, mutta ne prosessivaiheet, joissa kemikaalikäsittely on pääosassa, eli puhdistus ja etsaus, kokivat selkeää laskua. Yhteenvetona todettakoon, että kaikki prosessivaiheet soveltuvat fotoluminesenssikuvantamiseen, mutta eri prosessivaiheiden välillä on eroa. Tulosten analysoinnin kaksi näkökulmaa osoittivat vikojen havaitsemisen olevan helpompaa tiettyjen prosessivaiheiden jälkeen.Description
Supervisor
Savin, HeleThesis advisor
Vähänissi, VilleKeywords
chemical surface passivation, photoluminescence imaging, silicon wafer, single crystalline silicon, quality, wafer manufacturing process