あサファイアウエハスライス、研削、研磨が始まる前に、その最も重要な特性の多くが継承されます。結晶方位、内部気泡、インクルージョン、低角度粒界、亀裂、残留応力はすでにサファイア ブール内に存在しており、下流の処理でプライム ウェーハが生成されるか過剰なスクラップが生成されるかを決定できます。

コアリングとスライスの前にブールを検査することは、メーカーが欠陥領域の処理を回避し、正しい切断方向を選択し、使用可能なウェーハの実際の数を見積もるのに役立ちます。

この記事では、サファイアブールの主な検査項目、一般的な検査方法、ブール品質と最終ウェーハ歩留まりの関係について説明します。

ウェーハ処理前にサファイアを検査する理由

合成サファイアは単結晶酸化アルミニウム、Al₂O₃です。高硬度、耐薬品性、熱安定性、光透過性を兼ね備えており、以下の用途に適しています。

• LEDエピタキシャル基板;
• 半導体処理;
• 光学窓。
• 監視コンポーネント。
• レーザーシステム;
• センサー保護。
• SOS および RF アプリケーション。
• 高温観察用部品。

大きなサファイア結晶を成長させても、ブール全体が使用可能なウェーハに変換できるという保証はありません。異なる領域には、さまざまなレベルの応力、気泡、介在物、転位、または配向のずれが含まれる場合があります。

大きなサファイアブールに関する研究では、気泡、内包物、応力複屈折が結晶全体に均一に分布しているのではなく、周辺領域近くに集中している可能性があることが判明しました。これにより、空間検査と欠陥マッピングが単一の合否結果よりも有用になります。大きなサファイアブールの成長と欠陥分布の研究

前処理検査により、メーカーは次のことが可能になります。

• 結晶学的方向を確認します。
• 最適なコア抜き位置を選択します。
• 欠陥のあるエッジ領域を除外します。
• 機械的に切断する前に亀裂を検出します。
• バブルと包有物クラスターを特定します。
• 残留応力を評価します。
• 使用可能なブール量を推定します。
• スライスと研磨の歩留まりを向上させます。
• 異なるブール領域を異なる製品グレードに合わせます。

サファイアブールから完成したウェーハまで

簡略化されたサファイア ウェーハの製造フローには次のものが含まれます。

1. サファイア結晶の成長。
2. ブールの冷却とアニーリング。
3. 外面の洗浄。
4. 視覚的および光学的検査。
5. 結晶方位測定;
6. 欠陥と応力のマッピング。
7. コアリングまたは直径研削。
8. 終点と方向のマーキング。
9. スライス;
10. エッジ研削;
11. ラッピング;
12. 必要に応じて熱処理。
13. 研磨とCMP。
14. 最終ウエハ検査。

ブール検査中に行われた決定は、その後のほぼすべての段階に影響します。コア抜き軸が正しくない場合、コアから切り取られたすべてのウェーハに許容できない方向の誤差が生じる可能性があります。内部亀裂を見逃すと、スライス中に亀裂が伝播し、複数のウェーハが破壊される可能性があります。

結晶方位の確認

結晶方位は、コアリングまたはスライスの前に確認する必要がある最初のパラメータの 1 つです。

サファイアは三方晶系の結晶構造を持ち、異方性を持っています。その機械的、光学的および加工的挙動は結晶学的方向によって異なります。切断面は以下に影響します。

• エピタキシャル膜成長。
• 表面原子構造。
• 研削および研磨速度;
• へき開および破壊挙動。
• 光学複屈折;
• 熱膨張。
• ウェーハの強度。
• 最終的なデバイスのパフォーマンス。

一般的なサファイアウェーハの方向

C 面サファイアは、GaN ベースの LED および半導体エピタキシーに広く使用されています。 R 面はシリコン オン サファイア構造に必要な場合がありますが、A 面と M 面は無極性結晶表面の恩恵を受ける用途に使用されます。

方向検査方法

結晶配向は通常、X 線ベースの技術を使用して測定されます。

一般的な方法には次のようなものがあります。

• X線回折。
• ラウエ後方反射。
• X線ゴニオメトリー;
• いくつかのブール位置での方向マッピング。

大きなブールの場合、単一の方向測定では不十分な場合があります。シード端、中間、および尾端での測定は、配向のドリフトや低角度境界の影響を受ける領域を特定するのに役立ちます。

方向許容差

許容可能な方向許容差は、最終用途によって異なります。エピタキシー基板は、一般的な光学部品よりもはるかに厳密な制御が必要な場合があります。

検査報告書では以下を区別する必要があります。

• 公称結晶面。
• 実際に測定された平面。
• オフカット角度;
• オフカット方向。
• 測定の不確かさ。
• ブール全体の方向の変化。

オフカット角度とオフカット方向を 1 つのあいまいな値に組み合わせてはいけません。オフカットの大きさが同じ 2 つのウェーハは、傾斜方向が異なると異なる動作をする可能性があります。

サファイア ブールの気泡欠陥

気泡とは、サファイア結晶の成長中に形成される可能性のある内部の空隙のような欠陥です。それらは閉じ込められたガスを含んでいたり、結晶内部の透明な点、反射点、または光散乱点として見える場合があります。

サファイア製造の研究では、バルク結晶の重要な欠陥として気泡含有物、転位、および低角度粒界が特定されています。それらの形成は、溶融条件、溶融物と結晶の界面の形状と安定性に密接に関係しています。サファイア製造における融液と結晶の界面のレビュー

泡ができる理由

気泡の形成は次の影響を受ける可能性があります。

• 溶融物中に閉じ込められたガス。
• 原材料の汚染。
• 炉の雰囲気。
• 結晶成長速度。
• 温度変動。
• 溶ける対流。
• 界面の形状。
• るつぼの状態。
• 凝固中の局所的な不安定性。

正確なメカニズムは結晶成長方法と炉の条件によって異なります。

なぜ泡が重要なのか

気泡は光学ウェーハと半導体ウェーハの両方に影響を与える可能性があります。

考えられる影響は次のとおりです。

• 光の散乱。
• 光透過率の低下。
• 局所的な応力集中。
• スライス中にひび割れが発生する。
• 研削または研磨後の表面のピット。
• 自動光学検査中の不合格。
• 有効絞りの減少。
• 気泡がウェーハ表面を横切るとエピタキシーに欠陥が生じます。

深く埋もれた気泡はブール内では無害であるように見えますが、ブールをスライスすると表面に穴が開くことがあります。

気泡の検査方法

ブールのサイズと光学的条件に応じて、気泡検査では次のものが使用される場合があります。

• 明視野照明;
• 暗視野照明。
• 平行透過光。
• レーザー散乱;
• サイドイルミネーション。
• 光学顕微鏡;
• 自動化されたイメージングと欠陥マッピング。

欠陥は、位置、サイズ、密度ごとに記録する必要があります。 「目に見える気泡はない」などの単純なステートメントは、照明条件と検出しきい値が定義されていない限り監査が困難です。

介在物および異物

インクルージョンは、周囲のサファイア結晶とは異なる組成を持つ固体の異相または領域です。

考えられるソースには次のようなものがあります。

• 原材料の汚染。
• るつぼの汚染。
• 耐火性粒子;
• 未溶解のアルミナ。
• 炉のコンポーネントの劣化。
• 局所的な化学物質の分離。

内包物は、暗い点、反射粒子、曇った領域、または散乱中心として現れる場合があります。

サファイアは硬いですが脆いため、小さな内包物であっても、切断や研磨の際に故障の原因となる可能性があります。熱膨張や機械的特性の局所的な違いにより、介在物の周囲に応力が生じます。

光学サファイアの場合、内包物により透過率と開口部の品質が低下します。半導体基板の場合、表面欠陥、汚染、または局所的なエピタキシャル異常が発生する可能性があります。

亀裂と表面下の損傷

サファイア ブールは、成長、冷却、アニーリング、輸送、または予備加工中に亀裂が発生する可能性があります。

一般的な亀裂の種類

• 表面の亀裂。
• 放射状の亀裂。
• 軸方向の亀裂。
• エッジの亀裂。
• 内部亀裂。
• 熱衝撃による亀裂。
• 研削による表面下の亀裂。

亀裂の中には容易に視認できるものもありますが、指向性照明または非破壊検査でのみ検出できる亀裂もあります。

小さな亀裂がなぜ危険なのか

ブールの端近くの小さな亀裂は、次のようなときに広がる可能性があります。

• コアリング;
• 直径研削;
• ワイヤースライシング。
• 超音波洗浄;
• ラッピング;
• 熱処理。

亀裂が計画されたコア領域に達した場合は、周囲のボリュームを除外するか、要求の低い製品に割り当てる必要があります。

最初に亀裂をマッピングせずに亀裂を切断すると、切断ワイヤーが損傷し、ウェーハが破損し、破片で処理装置が汚染される可能性があります。

残留応力と応力複屈折

残留応力もブールの重要な品質パラメータです。これは、異なる結晶領域が異なる熱条件下で冷却または凝固するときに発生します。

ストレスは次のような原因で発生する可能性があります。

• 大きな温度勾配。
• 不均一な冷却;
• 不規則な融液と結晶の界面。
• 結晶の直径が変化します。
• 成長率の不安定性。
• シード制約。
• 欠陥と内包物。
• アニーリングが不十分です。

残留応力の影響

残留応力は次の原因となる可能性があります。

• コア抜きまたはスライス中の亀裂。
• ウェーハの反りと反り。
• ラッピング後の厚みムラ。
• 研磨ムラ。
• エッジの欠け。
• 局所的な光学複屈折。
• 加熱中の寸法不安定性。
• 機械的強度が低下します。

最終のウェーハ加工プロセスでは、追加の応力や反りが発生する可能性があります。研究によると、初期のサファイアウェーハ処理中の不規則な摩耗が、機械的に形成されたウェーハの反りに影響を与える可能性があることがわかっています。したがって、ブール応力と加工誘発応力は、別々ではあるが相互作用する要因として扱う必要があります。サファイアウェーハ処理中の反り形成の研究

偏光検査

サファイアは光学的に異方性があるため、応力評価には選択した結晶方向に適した検査構成が必要です。

偏光器または交差偏光子のセットアップにより、応力に関連した光学パターンを明らかにすることができます。異常な色、フリンジの集中、または歪んだパターンのある領域は、残留応力勾配を示している可能性があります。

検査システムでは以下を定義する必要があります。

• 光の波長;
• 偏光子の向き。
• ブールの向き。
• 光路長。
• 画像化ジオメトリ。
• 受け入れ基準。

定性的な偏光検査はスクリーニングに役立ちますが、定量的な応力評価には、校正された光弾性測定、ラマン分光法、またはその他の特殊な技術が必要な場合があります。

低角度の粒界

単結晶であることを意図したブールには、小さな結晶方位のずれを持つ隣接領域が含まれる場合があります。これらの界面は、低角度粒界と呼ばれることがよくあります。

通常の目視検査では特定するのは難しいかもしれませんが、次のような影響を与える可能性があります。

• 配向の均一性。
• 機械的強度;
• ウェーハの平坦度。
• 研磨動作。
• エピタキシャルの均一性。
• デバイスの歩留まり。

X 線トポグラフィー、方向マッピング、またはエッチング手法は、これらの境界を検出するのに役立ちます。

低角度の境界が計画されたコアを横切る場合、その領域から切り出されたウェーハは、単一の表面全体で異なる結晶方位を示す可能性があります。このようなウェーハは、光学的に透明に見えても、要求の厳しいエピタキシャル用途には適さない可能性があります。

転位と結晶の品質

転位は結晶格子内の線欠陥です。その密度と分布は結晶成長条件、熱応力、成長方法によって異なります。

脱臼は次のような影響を与える可能性があります。

• 機械的強度;
• エッチピット密度。
• 光学品質。
• 表面処理;
• エピタキシャル膜の挙動。

検査方法には次のものが含まれます。

• X線トポグラフィー。
• 選択的化学エッチング。
• エッチピット密度測定;
• 光学顕微鏡;
• シンクロトロンまたは実験室用 X 線イメージング。

すべての用途に同じ転位密度制限が必要なわけではありません。光学窓、LED 基板、研究用ウェーハには異なる合格基準がある場合があります。

ブールの寸法検査

収量を計算する前に、ブールの物理的寸法を正確に測定する必要があります。

重要な寸法には次のものが含まれます。

• 最大直径と最小直径。
• 全長；
• ストレートに使える長さ。
• テーパー;
• 丸み;
• 表面の凹凸。
• シードエンドの排除。
• テールエンドの除外。
• エッジ欠陥の深さ。

目標のコア直径を満たすために実質的な外側ゾーンを除去する必要がある場合、大きな公称ブール寸法は誤解を招く可能性があります。

ブールの長さに沿った直径マップは、フルサイズの円筒コアを抽出できる場所を決定するのに役立ちます。

コアリング前のブールのマッピング

実用的なブール マップは、次元情報、結晶学的情報、欠陥情報を組み合わせたものです。

各欠陥は以下を使用して記録できます。

• 軸方向の位置。
• 半径方向の位置。
• 円周方向の位置。
• 欠陥の種類。
• 欠陥のサイズ。
• 検査方法；
• 信頼レベル。
• 必要な除外マージン。

このマップにより、エンジニアは使用可能な材料を最大限に活用できるコアの位置と切断方向を選択できます。

場合によっては、最も価値の高い結果が 1 つの大きなコアではないことがあります。局所的な欠陥のあるブールは、いくつかの小さなコアまたは光学コンポーネントに分割すると、より多くの価値を生み出す可能性があります。

理論上のウェーハ歩留まりの計算

単純な理論上のウェーハ数は、以下を使用して推定できます。

Ntheoretical=LusableTslice+KkerfN_\text{理論的}= \frac{L_\text{使用可能}} {T_\text{スライス}+K_\text{カーフ}}

どこ：

• NtheoreticalN_\text{理論的}理論上のスライス数です。
• LusableL_\text{使用可能}は使用可能なコアの長さです。
• TsliceT_\text{スライス}は初期スライスの厚さです。
• KkerfK_\text{カーフ}各カット中に失われる材料です。

初期スライス厚には、以下に対する十分な余裕が含まれている必要があります。

• ラッピング;
• 研削;
• 研磨;
• CMP;
• 最終的な厚さの許容差。
• 弓と反りの修正。

この式は計画の見積もりの​​みを提供します。これには、破損、エッジの排除、配向不良、または表面品質の損失は含まれません。

有効収量の推定

より現実的な推定は次のように表すことができます。

Yusable=Yコア×Yスライス×Ylap×Y研磨×Y最終検査Y_\text{使用可能}= Y_\text{コア} \times Y_\text{スライス} \times Y_\text{ラップ} \times Y_\text{研磨} \times Y_\text{最終検査}

各プロセスの歩留まりは、ブールのグレード、ウェーハの直径、方向、および必要な仕様に関する実際の生産データに基づく必要があります。

収量低下の主な原因

使用可能な歩留まりは、単に製造されたスライスの数ではなく、最終仕様を満たすウェーハの数として測定される必要があります。

利回り計画の例

シードエンド、テールエンド、および欠陥領域を除外した後のサファイアコアの有効長さが 120 mm であると仮定します。

計画されたスライス時の厚さが 0.75 mm で、有効カーフロスが 0.20 mm の場合、理論上の出力は次のようになります。

Ntheoretical=1200.75+0.20≈126N_\text{理論的}= \frac{120}{0.75+0.20} \およそ126

ダウンストリームの合計歩留まりが 85% の場合、許容可能なウェーハの推定数は次のようになります。

126×0.85≈107126\×0.85\約107

これは単なる計算例です。実際のカーフ、加工代、および下流の歩留まりは、切断装置、ウェーハ直径、結晶方位、および最終仕様によって異なります。

検査方法とその役割

単一の検査技術ですべての欠陥を検出できるわけではありません。信頼性の高い検査計画は、補完的な方法を組み合わせたものです。

推奨されるブール検査ワークフロー

ステップ 1: トレーサビリティを確認する

確認する：

• 成長バッチ。
• 成長方法;
• 原料バッチ;
• 炉の稼働;
• アニーリング履歴。
• シードの方向性。
• 過去の検査記録です。

ステップ 2: ブールをきれいにする

内部含有物やクラックと誤認される可能性のある表面の汚れを除去します。

ステップ 3: 外部形状を測定する

長さ、直径、テーパー、目に見える表面欠陥を記録します。

ステップ 4: 向きを確認する

複数の場所で結晶方向を測定し、意図した切断面を定義します。

ステップ 5: 内部欠陥を検査する

透過光、暗視野イメージング、またはレーザー散乱を使用して、気泡や含有物をマッピングします。

ステップ 6: ストレスを評価する

制御された偏光条件下でブールを検査し、高応力領域を特定します。

ステップ 7: クリスタルの導通を確認する

用途で粒界、配向の均一性、転位構造の検証が必要な場合は、X 線法を使用します。

ステップ 8: 切断マップを作成する

コアの位置、除外領域、配向方向、切断順序をマークします。

ステップ 9: 収量の推定

理論上のスライスを計算し、履歴的なプロセス歩留まり係数を適用します。

サファイアブール検査報告書に記載すべき内容

完全なレポートには以下が含まれている必要があります。

• ブール識別番号;
• 成長方法;
• 公