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Charakterisierung der temperaturbedingten Entwicklung von Form und Textur eines Siliziumwafers

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Die Verwendung der Linkam-Präzisions-Temperierkammer mit dem Linnik-Objektiv von Sensofar beseitigt diese Probleme und ermöglicht eine genaue Messung der topografischen 3D-Profile von Materialien im Nanobereich

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In dieser Fallstudie demonstrieren Linkam und Sensofar Metrology ihre Zusammenarbeit bei der Herstellung eines Versuchsaufbaus für temperaturgesteuerte optische Profilometrieexperimente. Dies war in der Vergangenheit aufgrund von Abbildungsproblemen, die durch sphärische Aberrationen verursacht wurden, ein schwieriges Verfahren. Die Verwendung der Präzisions-Temperierkammer von Linkam mit dem Linnik-Objektiv von Sensofar beseitigt diese Probleme und ermöglicht die genaue Messung von topografischen 3D-Profilen von Materialien im Nanobereich. Hier beobachten wir die Veränderungen in der Topografie von Siliziumwafern, wie sie sich bei Temperaturen von 20°C bis zu 380°C entwickeln.

Die schnelle thermische Verarbeitung (Rapid Thermal Processing, RTP) ist ein wichtiger Schritt im Herstellungsprozess von Siliziumwafern, bei dem der Wafer für kurze Zeit auf hohe Temperaturen erhitzt und dann langsam und kontrolliert abgekühlt wird, um dem Wafer die gewünschten Halbleitereigenschaften zu verleihen. RTP verursacht jedoch thermischen Stress, der zu anderen Problemen bei der Fotolithografie führt, die die Leistung des Bauelements beeinträchtigen können, wie z. B. Bruch aufgrund von Temperaturschock oder Versetzung des Molekulargitters. Das Verständnis des Verhaltens eines Wafers unter diesen Bedingungen kann dazu beitragen, den Prozess zu optimieren und die Halbleitereigenschaften und die Haltbarkeit des Wafers zu verbessern.

Eine wichtige Methode zur Bewertung der Auswirkungen von Temperaturänderungen während der Waferherstellung ist die Messung der Oberflächenrauheit des Wafers in Abhängigkeit von der Temperatur. Dazu wird die Oberflächenrauheit mit einer Interferometrietechnik in Verbindung mit einer Wärmekammer beobachtet, die es ermöglicht, die Temperatur präzise auf Werte zu erhöhen, die denen während des Herstellungsprozesses ähneln, während die Probe mikroskopisch beobachtet wird.

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Abbildung 1. Strukturierter Silizium-Wafer

Es gibt mehrere Faktoren, die die Durchführung dieser interferometrischen Messungen erschweren. Um die Probe sichtbar zu machen und die Daten zu erhalten, während die Temperatur in der Kammer genau kontrolliert wird, ist es erstens notwendig, Beobachtungen durch das optische Fenster der Kammer zu machen. Dieses Fenster hat eine Dicke von 0,5 mm, kann aber in einigen Fällen auch 1 mm betragen, je nach dem Grad der erforderlichen Wärmeisolierung. Da dieses Fenster einen anderen Brechungsindex als Luft hat, führt es zu optischen Aberrationen und Fehlausrichtungen, die bei der Analyse von Siliziumwafern korrigiert werden müssen, um zuverlässige Daten zu erhalten. Außerdem wird bei einer Erhöhung der Temperatur im Inneren der Kammer Wärme durch das Beobachtungsfenster nach außen abgegeben, was für die optische Mikroskopie nicht ideal ist. In der Luft in der Nähe dieses Fensters kann die Temperatur bis zu 60 Grad Celsius erreichen, was zu einer Verformung der Objektivlinse und damit zu Abbildungsfehlern führen kann.

Um die experimentellen Probleme der Interferometrie bei unterschiedlichen Temperaturen zu lösen, kann ein Linnik-Interferometer verwendet werden. Mit dem Linnik-Interferometer wird eine Messoptik im Referenzarm eines klassischen Interferometers eingesetzt. Dadurch können die Auswirkungen des optischen Fensters wie chromatische Dispersion und optische Aberrationen kompensiert und korrigiert werden, was die Arbeit mit Hellfeldobjektiven ermöglicht, die einen größeren Arbeitsabstand haben als herkömmliche interferometrische Objektive.

In dieser Arbeit untersuchen wir die Auswirkungen des RTP-Prozesses auf die Siliziumwafer unter Berücksichtigung der durch Temperaturänderungen verursachten optischen Aberrationen. Es wurden zwei verschiedene Proben verwendet, die unterschiedlichen Chip-Designs von Silizium-Wafern entsprechen. Probe A war 2,8 mm x 1 mm groß, während Probe B 3,0 mm x 2,35 mm groß war. Siliziumwafer haben typische Oberflächenrauhigkeitswerte im Submikrometerbereich, so dass die ideale optische Technologie für diese Anwendung die Coherence Scanning Interferometry (CSI, ISO 25178, Teil 604) ist. CSI bietet nur 1 nm Systemrauschen, unabhängig von der Vergrößerung des verwendeten Objektivs.

Für das Design und die Konstruktion des Linnik-Objektivs wurden zwei 10x-EPI-Objektive von Nikon (Nikon, MUE12100) mit 17,5 mm Arbeitsabstand verwendet. Die gleiche Konfiguration ist mit 10xSLWD-Objektiven (Nikon, MUE31100) erhältlich, die einen Arbeitsabstand von 37 mm haben. Dadurch werden die thermischen Emissionen der Kamera für das Objektiv fast nicht wahrnehmbar und beeinträchtigen die Messqualität nicht. Das Linnik-Objektiv wurde auf das optische 3D-Profilometer (Sensofar, S neox) montiert, das vier optische Technologien in einem Messkopf vereint: Konfokal, CSI, PSI und Fokusvariation. Diese Techniken sind in der ISO 25178 beschrieben.

Die Temperatur wird mit einer Linkam LTS420-Kammer und dem T96-Temperaturregler gesteuert, mit dem die Temperatur zwischen -195° und 420°C mit einer Genauigkeit von 0,01°C geregelt werden kann, während die Rauheit der Probe durch das Kammerfenster beobachtet wird. Die Kammer ermöglicht auch die Regelung von Druck und Feuchtigkeit, was jedoch in dieser Studie nicht untersucht wurde.

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Abbildung 2. Versuchsaufbau von Linkam LTS420 und Sensofar Linnik-Konfiguration). Schematische Darstellung der optischen Linnik-Konfiguration

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Die Waferprobe wurde in der Linkam-Kammer unter dem optischen Profiler von S neox mit der Linnik-Konfiguration platziert. Die Erfassungsroutine bestand darin, die Temperatur in 50°C-Schritten von 30°C auf 380°C zu erhöhen und bei jedem Schritt 8 topographische Messungen der Probe vorzunehmen. Dieses Verfahren wurde für drei Proben wiederholt.

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Abbildung 3. Zeit-Temperatur-Diagramm mit den Temperaturschritten, bei denen die optischen Messungen durchgeführt wurden.

Mit der Software SensoMAP wurden die Ergebnisse visualisiert und analysiert, indem eine Vorlage erstellt und auf alle Proben angewendet wurde. Die Vorlage ermöglicht die Extraktion von drei Profilen in jeder Topografie (horizontal, diagonal und vertikal) und deren Darstellung in einem Diagramm. Darüber hinaus wird eine Sequenz der Topografien erstellt, die als Video exportiert und in einem 4D-Diagramm dargestellt werden kann.

Zwei topografische Bilder der gleichen Probe wurden mit der oben genannten Methode aufgenommen und sind in Abbildung 5 als zweidimensionale Höhenkarten dargestellt. Die drei durchgezogenen Linien stellen die drei verschiedenen Profile (horizontal, vertikal und diagonal) dar, die für jede Topografie extrahiert wurden. Die Profile in jeder Richtung sind in Abbildung 6 dargestellt, wo wir die Entwicklung für die verschiedenen Temperaturen, bei denen die Probe entnommen wurde, sehen können. Die Bilder zeigen, dass sich die Topografie der Probe beim Erhitzen verändert.

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Abbildung 4. Zweidimensionale Höhenkarten, die die Topographie der Probe A bei (a) 30ºC und (b) 80ºC zeigen. Die schwarzen Linien zeigen die drei Richtungen an, in denen die Profile für weitere Untersuchungen aufgenommen wurden.

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Abbildung 5. (a) Horizontale, (b) diagonale und (c) vertikale Profile, die aus den Messungen der Probe A bei acht verschiedenen Temperaturen gewonnen wurden.

Die Daten können in einem topografischen 3D-Bild dargestellt werden, wie in Abbildung 7 gezeigt. Durch Stapeln der 3D-Bilder in Abhängigkeit von der Temperatur wird ein "4D-Plot" erstellt, der die topografischen Veränderungen bei verschiedenen Temperaturen unter Verwendung derselben Farbskala für die Höhe zeigt und verdeutlicht, wie sich die Proben bei Temperaturänderungen verbiegen. Es ist klar, dass sich die Proben umso stärker biegen, je höher die Temperatur ist.

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Abbildung 6. Gestapelte 4D-Ansicht der aus (a) Probe A und (b) Probe B extrahierten Topografien zum visuellen Vergleich der experimentellen Biegeveränderung, wenn die Proben von 30 ºC auf 380 ºC steigen.

Um die Wölbung der Proben zu quantifizieren, wurden zwei verschiedene Parameter verwendet. Der erste ist Sz, der Oberflächenrauhigkeitsparameter für die maximale Höhe einer Oberfläche gemäß ISO 25178. Der zweite ist Wz, der dem Gegenstück zu Sz in der Profilanalyse entspricht (ISO 4287). Sowohl Sz als auch Wz wurden nach Anwendung eines S-Filters auf die Oberfläche (bzw. das Profil) mit einem 0,8-mm-Cut-off ermittelt. Auf diese Weise bleiben nur die längeren räumlichen Wellenlängen auf der Oberfläche, wodurch die Rauheit beseitigt wird und nur die Welligkeit für die Bogenanalyse übrig bleibt.

Die resultierenden Parameter für die Proben A und B sind in Abbildung 9 dargestellt. Bei Probe A ist eine fast lineare Beziehung zwischen Wölbung und Temperatur bis 180ºC zu beobachten, die sich zwischen 180ºC und 380ºC stabilisiert. Die Probe B hingegen zeigt bis zu einer Temperatur von 230 ºC keine bemerkenswerte Veränderung der Verformung.

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Abbildung 7. Entwicklung der Wölbung in (a) Probe A und (b) Probe B als Funktion der Temperatur. Die Welligkeitsparameter Wz wurden aus den horizontalen, diagonalen und vertikalen Profilen in Abbildung 5 extrahiert. Der Rauheitsparameter Sz wurde aus der Oberfläche nach Anwendung eines S-Filters von 0,8 mm berechnet.

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Abbildung 8. (a),(b) Gefilterte Rauheitstopographien von Probe A (oben) und Probe B (unten) bei 30 ºC bzw. 380 ºC. S-Filter 2,5 μm, L-Filter 0,8 mm. (c),(d) Höhe und hybride Rauheitsparameter der Topographien (a) und (b).

Die Durchführbarkeit der vorgeschlagenen Konfiguration hat sich bei der Durchführung erfolgreicher Rauheits- und Welligkeitsmessungen bei verschiedenen Temperaturen erwiesen. Je nach Chipdesign wurden zwei verschiedene Verhaltensweisen der Oberflächentopografie beobachtet. Probe A zeigte ein frühes Biegeverhalten beim Aufheizen der Probe, während Probe B die Biegung in einem späteren Stadium zeigte.

Es hat sich gezeigt, dass der optische 3D-Profiler von S neox mit einem Linnik-Objektiv die perfekte Ergänzung für die LTS420-Kammer von Linkam ist, um solche experimentellen Messungen durchzuführen. Darüber hinaus sind verschiedene Hellfeldobjektive mit der Linnik-Konfiguration kompatibel und bieten Arbeitsabstände bis zu 37 mm und Vergrößerungen bis zu 100x für Anwendungen, die eine hohe laterale Auflösung erfordern.

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