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Charakterisierung der temperaturbedingten Veränderung der Form und Textur eines Siliziumwafers

Fallstudien, Halbleiter, Unterhaltungselektronik
Spezialist für Marketing und Anwendungen at Linkam Scientific Instruments Ltd. | Other articles

Robert ist seit 2019 im Vertriebs- und Marketingteam von Linkam tätig. Er verfügt über wissenschaftliches Fachwissen über diverse Technologien zur Temperatur-, Umwelt- und Mechanik-Probencharakterisierung. Darüber hinaus zeichnet Robert für die wissenschaftlichen Artikel und Marketingmaterialien von Linkam. Robert hat an der University of Surrey im Bereich weiche Materialien promoviert und an der ESPCI Paris sowie an der Wuhan University of Technology an Projekten wie Dünnschichtanalyse, chemische Synthese und Solarzellencharakterisierung gearbeitet.

Der Einsatz der hochpräzisen Linkam Temperierkammer im Zusammenspiel mit dem Linnik Objektiv von Sensofar ermöglicht eine genaue Messung der topografischen 3D-Profile von Nano-Materialien

Diese Fallstudie behandelt die Zusammenarbeit von Linkam und Sensofar Metrology zur Erstellung eines Versuchsaufbaus für temperaturgesteuerte optische Profilometrieexperimente. Dies war in der Vergangenheit aufgrund von durch die sphärische Aberration verursachten Abbildungsproblemen ein schwieriges Verfahren. Der Einsatz der hochpräzisen Linkam Temperierkammer im Zusammenspiel mit dem Linnik Objektiv von Sensofar löst diese Probleme und ermöglicht eine genaue Messung der topografischen 3D-Profile von Nano-Materialien. Dabei lassen sich die Veränderungen der Siliziumwafer-Topographie bei Temperaturen von 20 °C bis 380 °C beobachten.

Rapid Thermal Processing (RTP) ist ein wichtiger Schritt im Herstellungsprozess von Siliziumwafern. Bei diesem Vorgang wird der Wafer für kurze Zeit auf hohe Temperaturen erhitzt und dann langsam und kontrolliert abgekühlt, um dem Wafer die gewünschten Halbleitereigenschaften zu verleihen. Bei der thermischen Bearbeitung treten jedoch durch die Wärmeeinwirkung verursachte Spannungen auf, die sich negativ auf die Fotolithografie auswirken und die Leistung des Teils beeinträchtigen können, wie beispielsweise Bruch aufgrund von Temperaturschocks oder Verlagerungen im Molekulargitter. Kenntnisse über das Verhalten von Wafern unter Wärmeeinwirkung können dazu beitragen, den Prozess zu optimieren und die Halbleitereigenschaften sowie die Haltbarkeit des Wafers zu verbessern.

Eine wichtige Methode zur Bewertung der Auswirkungen von Temperaturänderungen während der Waferherstellung ist die Messung der temperaturabhängige Oberflächenrauheit des Wafers. Zu diesem Zweck wird die Oberflächenrauheit mit Hilfe von Interferometrietechnik in Verbindung mit einer Temperierkammer beobachtet. Die Temperatur wird dabei im Inneren der Kammer präzise auf jene Temperaturen erhöht, die während des Herstellungsprozesses zum Einsatz kommen. Die Probe wird während des Vorgangs mikroskopisch überwacht.

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Abb. 1. Siliziumwafer

Solche interferometrischen Messungen gestalten sich aufgrund einer Reihe von Faktoren als komplex. Zur Visualisierung der Probe und zur Ermittlung von Daten wird die Probe während der kontrollierten Erhitzung durch das Fenster der Temperierkammer hindurch beobachtet. Die Scheibe verfügt über eine Stärke von 0,5 mm, kann jedoch abhängig von der erforderlichen Wärmedämmung bis zu 1 mm dick sein. Der Brechungsindex des Fensters unterscheidet sich von dem der Luft. Dies führt zu optischen Aberrationen und Ausrichtungsfehlern, die zur Ermittlung zuverlässiger Daten bei der Analyse von Siliziumwafern korrigiert werden müssen.
Darüber hinaus wird beim Anstieg der Temperatur in der Kammer Wärme über das Beobachtungsfenster nach außen abgegeben, ein für die optische Mikroskopie nicht förderlicher Umstand. In der Nähe des Fensters kann die Lufttemperatur auf zu 60 Grad Celsius steigen, was zu einer Verformung der Objektivlinse und damit zu Fehlern führen kann.

Zur Lösung dieser Schwierigkeiten, die bei unterschiedlichen Temperaturen auftreten, dient bei diesem Versuchsaufbau ein Linnik Interferometer. Das Linnik Interferometer ermöglicht die Einbindung von Messoptiken in den Referenzarm eines klassischen Interferometers. Das ermöglicht die Kompensation und Korrektur der Auswirkungen der vom Fenster verursachten chromatischen Dispersion und optischen Aberrationen und den Einsatz von Hellfeldobjektiven, bei denen der Arbeitsabstand im Vergleich zu herkömmlichen interferometrischen Objektiven größer ist.

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 aus Siliziumwafern entsprechen. Probe A verfügte über die Maße 2,8 mm x 1 mm, Probe B war 3,0 mm x 2,35 mm groß. Siliziumwafer haben typische Oberflächenrauigkeitswerte im Submikrometerbereich. Die ideale optische Technologie für diese Anwendung ist daher die Coherence-Scanning-Interferometrie (CSI, ISO 25178, Teil 604). CSI bietet unabhängig von der Vergrößerung des verwendeten Objektivs ein Systemrauschen von nur 1 nm.

Zum Bau des Linnik Objektivs wurden zwei Nikon 10xEPI Objektive (Nikon, MUE12100) mit 17,5 mm Arbeitsabstand verwendet. Auch die Konfiguration mit 10xSLWD Objektiven (Nikon, MUE31100) ist möglich, wobei der Arbeitsabstand 37 mm beträgt. Die thermischen Emissionen der Temperierkammer werden so kaum vom Objektiv wahrgenommen und beeinträchtigen die Messqualität nicht. Das Linnik Objektiv wurde am optischen 3D-Profilometer (Sensofar, S neox), montiert, der vereint vier optische Technologien in einem Sensorkopf: Konfokal, CSI, PSI und Fokusvariation. Diese Techniken werden von ISO 25178 abgedeckt.

The temperature is controlled using a Linkam LTS420 chamber and the T96 temperature controller, which allows the temperature to be ramped and controlled between -195° and 420°C to a precision of 0.01°C, while the sample roughness is observed through the chamber window. The chamber also allows control of the pressure and humidity, but this has not been investigated in this study.

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Abb. 2. Versuchsanordnung mit der Linkam LTS420 und Sensofar Linnik). Schematische Darstellung der optischen Linnik Konfiguration
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Der Wafer wurde in der Linkam Temperierkammer unter dem optischen S neox Profiler mit dem Linnik Aufbau platziert. Die Erfassung wurde im Rahmen eines in acht 50 °C Schritte unterteilten Temperaturanstiegs von 30 °C auf 380 °C vorgenommen. Nach jedem Schritt wurde eine topographische Messung an Probe vorgenommen. Diesem Vorgang wurden drei Proben unterzogen.

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Abb. 3. Zeit-Temperatur-Graph, der Aufschluss über die Temperaturschritte gibt, nach denen die optischen Messungen vorgenommen wurden.

Unter Einsatz der SensoMAP Software wurden die Ergebnisse durch die Erstellung einer auf alle Proben angewendeten Vorlage visualisiert und analysiert. Die Vorlage ermöglicht die Extraktion von drei Profilen je Topographie (horizontal, diagonal und vertikal) sowie die Darstellung im selben Plot. Darüber hinaus dient sie zur Erstellung von Topographie-Sequenzen, die als Video und zur Darstellung in 4D-Plots exportiert werden können.

Zwei topografische Bilder der gleichen Probe wurden mit der oben beschriebenen Methode aufgenommen und sind in Abb. 5 als zweidimensionale Höhenkarten dargestellt. Die durchgehenden Linien stellen die drei unterschiedlichen Profile (horizontal, diagonal und vertikal) dar, die für jede Topographie extrahiert wurden. Die Profile jeder Richtung sind in Abb. 6 dargestellt. Hier können die Veränderungen bei den unterschiedlichen Temperaturen, denen die Probe ausgesetzt wurde, abgelesen werden. Die Bilder zeigen, dass die sich Topographie der Proben beim Erhitzen verändert.

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Abb. 4. Zweidimensionale Höhenkarten der Topographie von Probe A bei (a) 30 °C und (b) 80 °C. Die schwarzen Linien geben die drei Richtungen, in welchen die Profile erstellt wurden, für weitere Studien an.
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Abb. 5. (a) Horizontale, (b) diagonale und (c) vertikale Profile, die aus den Messungen an Probe A bei acht unterschiedlichen Temperaturen extrahiert wurden.

Die Daten können wie in Abb. 7 als topografisches 3D-Bild dargestellt werden. Durch das Stapeln der 3D-Bilder in Abhängigkeit von der Temperatur wird ein 4D-Plot erstellt. Auf diese Weise lassen sich die topografischen Veränderungen bei unterschiedlichen Temperaturen unter Verwendung einer Höhen-Farbskala darstellen. Die Darstellung gibt auch Aufschluss darüber, wie sich die Proben bei Temperaturänderungen wölben. Je höher die Temperatur, desto stärker wölben sich die Proben.

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Abb. 6. Gestapelte 4D-Ansicht der aus (a) Probe A und (b) Probe B extrahierten Topographien zum visuellen Vergleich der Biegung, die Proben bei Temperaturen von 30 °C bis 380 °C aufweisen.

Zur Quantifizierung der Wölbung der Proben wurden zwei Parameter genutzt. Der erste ist Sz, der Oberflächenrauigkeitsparameter für die maximale Höhe einer Oberfläche gemäß ISO 25178. Der zweite ist Wz, das Gegenstück von Sz in der Profilanalyse (ISO 4287). 73
Translated (0%) Both Sz and Wz were obtained after applying a S-filter to the surface (or profile) with a 0.8mm cut-off. Sowohl Sz als auch Wz wurden nach Anwendung eines S-Filters auf die Oberfläche (oder 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 Analyse der Wölbung übrigbleibt.

Die resultierenden Parameter für die Proben A und B sind in Abb. 9 dargestellt. Bei Probe A ist eine fast lineare Beziehung zwischen Wölbung und Temperatur bis 180 °C zu beobachten, die sich zwischen 180 °C und 380 °C stabilisiert. Probe B hingegen weist bis zu einer Temperatur von 230 °C keine erwähnenswerte Veränderung der Wölbung auf.

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Abb. 7. Temperaturabhängige Veränderung der Wölbung bei (a) Probe A und (b) Probe B. Die Wölbungsparameter Wz wurden aus den horizontalen, diagonalen und vertikalen Profilen in Abb. 5 extrahiert. Der Rauheitsparameter Sz wurde aus der Oberfläche nach Anwendung eines S-Filters von 0,8 mm berechnet.
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Abb. 8. (a), (b) Gefilterte Rauheitstopographien von Probe A (oben) und Probe B (unten) bei 30 °C bzw. 380 °C. S-Filter 2,5 μm, L-Filter 0,8 mm. (c), (d) Höhe und hybride Rauheitsparameter der Topographien (a) und (b).

Der vorgeschlagene Messaufbau eignet sich nachweislich zur erfolgreichen Durchführung von Messungen der Rauheit und der Wölbung bei verschiedenen Temperaturen. Je nach Chipdesign wurden zwei verschiedene Verhaltensweisen der Oberflächentopografie beobachtet. Probe A zeigte ein frühes Wölbungsverhalten beim Erhitzen der Probe. Bei Probe B trat die Wölbung erst in einem späten Stadium auf.

S neox 3D-Profilometer im Zusammenspiel mit einem Linnik Objektiv die perfekte Ergänzung zur 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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Abb. 9 (a). Der Versuchsaufbau LTS420 – Sensofar Linnik bei der Nutzung im Laboratorium.
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Abb. 9 (b). Nahaufnahme der Probe in der LTS420 Kammer von Linkam vor Beginn der Messungen.

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