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Metallkontamination auf Siliziumkugeln

02.02.2010

Bei der Untersuchung der Siliziumdioxidschicht auf 1 kg-Siliziumkugeln, die als Dichtenormale oder zur Neubestimmung der Avogadrokonstanten dienen, wurde mit der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) am Bundesamt für Metrologie der Schweiz METAS erstmalig eine Kontamination der Oberflächen einiger Kugeln mit Nickel und Kupfer festgestellt. Diese Kontamination konnte mit der energiedispersiven Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XRF) der L-Schalen (PTB-Arbeitsgruppe 7.11 Röntgenradiometrie) und der K-Schalen (PTB-Arbeitsgruppe 4.33 Röntgenoptik) von Nickel und Kupfer ebenfalls nachgewiesen werden.
Erste Abschätzungen ergaben eine Belegungsdichte von ca. 2,5 . 1015 Atomen/cm2, was einer Kontaminationsmasse von ca. 75 µg oder einer metallischen Schichtdicke von ca. 0,3 nm entspricht. Neben der Verfälschung der Kugelmasse, tritt auch eine Veränderung der optischen Eigenschaften der Oxidschicht auf, so dass die Schichtdicke nicht mit der Röntgenreflektometrie bestimmt werden kann. Durch das Abätzen der kontaminierten Oxidschicht in verdünnter Flusssäure (DHF) und darauf folgender thermischer Oxidation wird zwar die Metallbelegung stark verringert, aber die Oberfläche wird so rau, dass XRR-Untersuchungen auch dadurch nicht möglich werden. Wie die Kontamination die Bestimmung des Kugeldurchmessers mit der optischen Interferometrie (PTB-Arbeitsgruppe 5.41 Interferometrie an Kugeln) beeinflusst, ist nicht bekannt.
Zum Verständnis des Bindungszustands der Metalle Nickel und Kupfer, zur Aufklärung der Kontaminationsursache und zur Entwicklung eines nicht-aufrauenden „Reinigungsverfahrens“ wurden detaillierte XPS-Spektren aufgezeichnet und K-Schalen-XRF an Siliziumkugeln, Testwafern und Materialien aus dem Polierprozess durchgeführt. Diese Beobachtungen wurden mit veröffentlichten Erkenntnissen aus der Aufbereitung hochreiner Siliziumwafer verglichen und erklärt.

 

 

Röntgenfluoreszenzspektren von drei kontaminierten Siliziumkugeln (Die K-Schalenfluoreszenz aller 3d-Übergangsmetalle liegt zwischen 4 und 10 keV Photonenenergie).

Als Zeitpunkt der Kontamination kommt nur der Poliervorgang am Australian Centre for Precision Optics (ACPO-CSIRO) in Frage, weil die Kugeloberflächen nur im oxidfreien Zustand Metallatome mit den experimentell beobachteten Eigenschaften binden können. Die XPS-Spektren und AFM-Bilder zeigen, dass die Kontamination nicht gleichförmig sondern in metallischen Inseln erfolgt. Diese Metallpartikel beschleunigen die Oxidation des Siliziums in Wasser lokal so sehr, dass es in DHF zur Bildung von Ätzkratern und dadurch zu einer rauhen Oberfläche kommt [1].
Eine Kugel (Bezeichnung: AVO1) wurde an 16 Stellen mit der K-Schalen-XRF untersucht. Es wurde kein Zusammenhang mit den kristallographischen Richtungen gefunden und durch Vergleich mit Referenzproben eine Kontaminationsmasse von (71,2 ± 1,5) µg ermittelt.
Die Herkunft von Nickel und mögliche Quellen von Kupfer konnten in den Proben aus dem Polierprozess identifiziert werden. Die dadurch metallhaltige wässrige Poliersuspension war aber nicht in der Lage, oxidfreie Testoberflächen zu kontaminieren, so dass vermutlich der als tribochemische Reaktion ablaufende Polierprozess die Metallkontamination auslöst. Korrosion an den metallischen Polierkörpern aus vernickeltem Messing konnte zwar nachgewiesen werden, aber erwies sich als uneffektiv für die beobachtete Kontamination mit Nickel und Kupfer. Zur zukünftigen Vermeidung von metallischer Kontamination während des Polierens von Siliziumkugeln wurden Vorschläge zur Materialauswahl für Polierkörper und -mittel erarbeitet.
Es konnte gezeigt werden, dass zwar durch mehrfaches Ätzen in DHF die Kontamination unter die Nachweisgrenze der K-Schalen-XRF von ca. 1013 Atomen/cm2 sinkt, aber mikrometergroße Ätzkrater auftreten. Die aktuellen Untersuchungen befassen sich mit der Frage, die Metallkontamination ohne Kraterbildung von der Siliziumoberfläche abzulösen.

 

Literatur:

[1]       M. Börner, N. Junghans, S. Landau, B.O. Kolbesen, Metal Enhanced Oxidation of Silicon, Solid State Phenomena 65-66, 245 (1999)