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ケーススタディ

シリコンウェーハの形状とテクスチャの温度による変化の特徴付け

ケーススタディ, 半導体, 消費者エレクトロニクス
マーケティング・応用スペシャリスト at Linkam Scientific Instruments Ltd. | Other articles

2019年にLinkamのセールス・マーケティングチームに加わる。温度、環境、機械的サンプルの特性評価における様々な科学的手法を専門とし、Linkamの科学論文およびマーケティング資料を担当する。サリー大学でソフトマテリアル博士号を取得、パリ市立工業物理化学高等専門大学(ESPCI Paris)と武漢理工大学で薄膜分析、化学合成、太陽電池の特性評価などのプロジェクトに携わった経歴を持つ。

Linkamの精密温度制御チャンバーとSensofarのLinnik対物レンズを使用することで、それらの問題を排除し、ナノスケール素材の3Dトポグラフィックプロファイルの性格な測定が可能になりました。

このケーススタディでは、LinkamとSensofar Metrologyが協力して、温度制御された光学プロフィロメトリー実験用のセットアップを製作したことを紹介します。これまで、球面収差による結像の問題から、このような実験は困難とされてきました。Linkamの精密温度制御チャンバーとSensofarのLinnik対物レンズを使用することで、それらの問題を排除し、ナノスケール素材の3Dトポグラフィックプロファイルの正確な測定が可能になりました。ここでは、20°Cから380°Cまでの温度で変化するシリコンウェーハのトポグラフィーの変化を観察します。

ラピッドサーマルプロセス(RTP)は、シリコンウェーハの製造プロセスにおける重要なステップであり、ウェーハを短時間、高速で高温に加熱した後、制御された方法でゆっくりと冷却して、目的の半導体特性をウェーハに与えます。ただし、RTPは熱応力を引き起こし、熱衝撃による破損や分子格子の転位など、デバイスの性能に影響を与える可能性のあるフォトリソグラフィーの他の問題を引き起こします。これらの条件下でのウェーハの挙動を理解することは、プロセスを最適化し、半導体の特性とウェーハの耐久性を向上させるのに役立ちます。

ウェーハ製造中の温度変化の影響を評価する重要な方法として、温度関数としてウェーハの表面粗さを測定することが挙げられます。これを行うには、製造プロセス中と同様の値まで温度を正確に上げながら、表面粗さを干渉法とサーマルチャンバーの使用によって観察し、顕微鏡でサンプルを観察します。

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図1.パターン化されたシリコンウェーハ

このような干渉測定値を取得するには複雑さをもたらすいくつかの要因があります。まず、チャンバー内の温度を正確に制御しながらサンプルを可視化し、データを取得するためには、チャンバーの光学窓から観察する必要があります。この窓の厚さは0.5mmですが、必要な断熱の程度によっては、1mmにもなる場合があります。空気とは屈折率が異なるこの窓は、光学収差とミスアライメントを引き起こします。これらは、シリコンウェーハを分析するときに、信頼できるデータを取得するために修正する必要があります。さらに、チャンバー内の温度が上昇すると、観察窓から外部に熱が放出されるため、光学顕微鏡には適していません。観察窓に近い空気中では温度が摂氏60度にも達することがあり、これにより対物レンズが変形し、収差が発生する可能性があります。

さまざまな温度での干渉測定の実験的問題に対処するために、Linnikの干渉計を使用することができます。Linnikの干渉計は、従来の干渉計の基準アーム内で光学測定を使用します。これにより、色分散や光学収差などの光学窓の影響を補正・修正できるため、従来の干渉対物レンズよりも作動距離が長い明視野対物レンズでの作業が可能になります。

この作業では、温度変化によって引き起こされる光学収差を考慮しながら、シリコンウェーハに対するRTPプロセスの影響を研究します。シリコンウェーハの異なるチップ設計に対応する2つの異なるサンプルが使用されました。サンプルAのサイズは2.8mm x 1mm、サンプルBのサイズは3.0mm x 2.35mmでした。シリコンウェーハはサブミクロンスケールの典型的な表面粗さの値であり、このアプリケーションの理想的な光学技術は垂直走査型低コヒーレンス干渉法(CSI、ISO 25178、パート604)です。CSIは、使用されているレンズの倍率に関係なく、わずか1nmのシステムノイズしか発生しません。

Linnik対物レンズの設計と製作には、作動距離17.5mmの2つのNikon 10x EPI対物レンズ(Nikon、MUE12100)を使用しました。同じ構成が10xSLWD対物レンズ(Nikon、MUE31100)で利用可能で、37mmの作動距離を得られます。これにより、カメラからの熱放射がレンズにほとんど感知されなくなり、測定品質に影響を与えたり損傷を与えたりすることはありません。Linnik対物レンズは、同じセンサーヘッドに、共焦点、CSI、PSIおよびフォーカスバリエーションという4つの光学技術を組み合わせた3D光学プロフィロメータ(Sensofar、S neox)に取り付けられました。これらの手法はISO25178で取り上げられています。

温度制御にはLinkam LTS420チャンバーとT96温度コントローラーを使用します。これにより、温度を-195°〜420°Cの間で0.01°Cの精度で温度勾配を制御でき、チャンバーの窓からサンプルの粗さを観察できます。このチャンバーでは圧力と湿度の制御も可能ですが、今回は調査していません。

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図2.Linkam LTS420およびSensofar Linnik構成の実験セットアップ)。Linnikの光学系概略構成図
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ウェーハサンプルは、Linnik構成のS neox光学プロファイラーの下のLinkamチャンバーに配置されました。取得ルーチンは、温度を30°Cから380°Cまで50°Cのステップで上昇させ、各ステップでサンプルのトポグラフィカル測定を8回行うというものでした。この手順を3つのサンプルに対して繰り返しました。

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図 3.光学測定が行われた温度ステップを示す時間-温度グラフ。

SensoMAPのソフトウェアを使用して、テンプレートを作成し、すべてのサンプルに適用することにより、結果を視覚化して分析しました。テンプレートを使用すると、各トポグラフィーの3つのプロファイル(水平、対角、垂直)を抽出し、同じプロットで表現できます。さらに、一連のトポグラフィーを作成して、ビデオとしてエクスポートし、4Dプロットで表現できます。

同じサンプルの2つのトポグラフィック画像は、上記の方法論を使用して画像化され、2次元のハイトマップとして図5に示されています。3本の実線は、各トポグラフィーに対して抽出された3つの異なるプロファイル(水平、垂直、対角)を表しています。各方向のプロファイルを図6に示します。ここでは、サンプルが採取された温度の違いによる変化を確認することができます。画像は、サンプルを加熱すると、そのトポグラフィーが変化することを示しています。

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図4.サンプルAの(a) 30℃、(b)80℃でのトポグラフィーを示す二次元ハイトマップ。黒い線は、さらなる研究のためにプロファイルが取られた3つの方向を示しています。
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図5.8つの異なる温度でサンプルAの測定で抽出された、(a) 水平、(b) 対角、および (c) 垂直のプロファイル。

図7に示すように、データは3Dトポグラフィック画像にプロットできます。温度関数として3D画像を積み重ねることにより、「4Dプロット」を作成し、同じ高さのカラースケールを使用してさまざまな温度でのトポグラフィーの変化を示し、温度の変化に応じてサンプルがどのように曲がるかを示します。温度が高いほど、サンプルが受ける曲げが大きくなることは明らかです。

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図6.サンプルが30℃から380℃に温度変化したときの実験における湾曲の変化を視覚的に比較するための、(a)サンプルAおよび(b)サンプルBから抽出されたトポグラフィーを積み重ねた4Dビュー。

サンプルの湾曲を定量化するために、2つの異なるパラメーターが使用されました。1つ目はSzで、これはISO25178に準拠した表面の最大高さの表面粗さパラメーターです。2番目はWzで、プロファイル分析(ISO 4287)のSzに対応します。SzとWzの両方は、0.8mmのカットオフで表面(またはプロファイル)にSフィルターを適用した後に得られました。このようにして、より長い空間波長のみが表面に残り、粗さが取り除かれ、湾曲分析に必要なうねりだけが残ります。

サンプルAとBの結果のパラメーターを図9に示します。サンプルAの場合、湾曲と180℃までの温度の間にほぼ線形の関係が観察され、180℃から380℃まで安定します。一方、サンプルBは、230℃を超えるまで、顕著な湾曲の変化は見られませんでした。

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図7.温度関数としての (a) サンプルAおよび (b) サンプルBの湾曲の変化。うねりパラメータWzは、図5の水平、対角、および垂直プロファイルから抽出しました。粗さパラメータSzは、0.8mmのSフィルターを適用した後の表面から計算しました。
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図8.(a)、(b) サンプルA(上)とサンプルB(下)のそれぞれ30℃と380℃でのフィルター処理された粗さのトポグラフィー。Sフィルター2.5μm、Lフィルター0.8mm。(c)、(d)それぞれトポグラフィー (a) と (b) の高さとハイブリッド粗さパラメータ。

提案した構成の実現可能性は、異なる温度での粗さとうねりの測定に成功させたことが証明されています。チップの設計に応じて、表面トポグラフィーの2つの異なる挙動が観察されました。サンプルAは、サンプルを加熱すると初期の湾曲挙動を示しましたが、サンプルBは後の段階で湾曲を示しました。

S neox 3DオプティカルプロファイラーとLinnikの対物レンズの使用は、LinkamのLTS420チャンバーでこのような実験測定を実行するのに最適であることが示されました。さらに、さまざまな明視野対物レンズがLinnik構成と互換性があり、高い横方向の解像度を必要とするアプリケーション向けに、最大37mmの作動距離と最大100倍の倍率を提供します。

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図9 (a).ラボで使用中のLinkam LTS420 – Sensofar Linnikシステム。
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図9 (b).測定開始前にLinkamのLTS420チャンバーに配置されたサンプルのクローズアップ。

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