09.10.2018

Part 1: Metrologie für die Halbleiter-Lithographie

SERIE Advanced Packaging - Multi-Sensor Metrology for Every Process Step

Die Herstellung einer integrierten Schaltung (IC) erfordert eine Vielzahl von physikalischen und chemischen Prozessen, die auf einem Halbleitersubstrat (z.B. Silizium) durchgeführt wird. Durch die Erzeugung von Strukturen aus verschiedenen Komponenten können Millionen von Transistoren gebaut und miteinander verbunden werden, um die komplexe Schaltung eines modernen mikroelektronischen Bauelements zu bilden. Das Fundament all dieser Prozesse ist die Lithographie.

Die optische Lithographie ist ein photographisches Verfahren, bei dem ein lichtempfindliches Polymer, genannt Photolack, belichtet und entwickelt wird, um 3D-Reliefbilder auf dem Substrat zu erzeugen. Im Allgemeinen hat das ideale Photolackbild die genaue Form des entworfenen oder beabsichtigten Musters in der Ebene des Substrats, mit vertikalen Wänden durch die Dicke des Photolackes. Somit ist das endgültige Lackmuster binär: Teile des Substrats werden mit Photolack bedeckt, während andere Teile vollständig freigelegt werden. Dieses binäre Muster wird für die Musterübertragung benötigt, da die mit photolackbedeckten Teile des Substrats vor Ätzen, Ionenimplantation oder anderen Musterübertragungsmechanismen geschützt sind.

Die allgemeine Abfolge der Arbeitsschritte für einen typischen optischen Lithographieprozess sieht wie folgt aus:

1.   Substratvorbereitung,

2.   Photolack Spin Coat,

3.   Prebake,

4.   Belichtung,

5.   Post-Exposure Bake,

6.   Entwicklung und Postbake

Die Lithographie, wie sie für die IC-Technologie optimiert ist, hat einen starken 2D-Charakter. Schließlich umfasst der Prozessablauf der IC-Fertigung eine Abfolge von Stapelung vieler nahezu zweidimensionaler hochpräziser Prozessschichten. Das Layout jeder Schicht wird in Bezug auf XY-Positionen und -Maße gestaltet und definiert entweder opake oder transparente Bereiche.

Unter den Aspekten Prozesskontrolle und -optimierung werden detaillierte Informationen zur Homogenität der auf einem Wafer aufgetragenen Photolackschicht benötigt. Die Dicken- und Homogenitätsmessung von Photolacken, die bis zu mehreren hundert Mikrometern dick sein können, stellt eine große Herausforderung für die meisten berührungslosen optischen Verfahren dar.

Der MicroProf® mit dem interferometrischen Sensor CWL FT bietet die optimale Lösung um Photolackdicken zu messen.

Der CWL FT beruht auf der spektralen Auswertung der Überlagerung von Teil­wellen einer Weißlichtquelle, die an den Grenzflächen einer transparenten Schicht reflektiert werden. Bei gegebener Schichtdicke und gege­benem Brechungsindex variiert die Intensität der überlagerten Teilstrahlen mit der Wellenlänge. Das Spektrum zeigt dann ein typisches Interferenz­muster. Aus diesem Spektrum und dem Brechungsindex des Schichtmaterials berechnet der Sensor die Dicke transparenter Schichten, die hoch aufgelöst, mit vertikalen Auflösungen ab 10 nm, gemessen werden. Mit dem CWL FT kann die Schichtdicke an einer gegebenen Position, entlang eines Profils oder auch über die gesamte Ober­fläche zwecks Bewertung ihrer Beschich­tungshomogenität ausgewertet werden.

Bei sehr dünnen Photolackdicken kann ebenso der interferometrische Sensor IRT 80 zur Charakterisierung verwendet werden. Der IRT ist ein interferometrischer Schichtdickensensor mit Infrarotlichtquelle, der speziell für die Messung der Dicke von Produkten entwickelt wurde, die im nahen Infrarotlicht transparent sind. Die Messungen können an einzelnen Positionen, im Profil sowie flächig in Form eines Mappings durchgeführt werden. Zudem eignet sich der Sensor auch für die Untersuchung von Mehrschichtsystemen.

Im MicroProf® werden die interferometrischen Sensoren für ortsaufgelöste, hochgenaue Schichtdickenmessungen eingesetzt. In einer Multi-Sensor Anordnung mit einem interferometrischen Messkopf und einem konfokalen chromatischen Abstandssensor steht dem Kunden ein außerordentlich leistungsfähiges Messsystem für schnelle, ortsaufgelöste Schichtdicken- und Topographiemessungen zur Verfügung. Mit dem MicroProf® kann somit eine hochauflösende 3D-Messung der Homogenität des Photolacks auf Wafern bis zu 300 mm durchgeführt werden. Der Wafer wird hierbei als Ganzes zerstörungsfrei und schnell erfasst. Der Automatisierungsgrad reicht von manuell bedienten Messsystemen wie dem MicroProf® 300, die automatisch vordefinierte Programme ausführen, bis hin zum vollautomatisierten Wafer-Handling einschließlich automatischer Vor- und Feinausrichtung im MicroProf® MHU.

Die Messauswertung erfolgt mit dem Analyseprogramm Mark III. Das leistungsfähige Programm wird in den FRT Messsystemen sowohl für die Darstellung und Auswertung von Topographiedaten wie auch von Schichtdickenmessungen eingesetzt. Die Ergebnisse des 3D-Mappings umfassen die maximale, minimale und mittlere Photolackdicke.

Overlay, das Ergebnis eines Ausrichtungs-, Belichtungs- und Entwicklungsprozesses, ist einer der wichtigsten Faktoren für einen lithografischen Prozess. Eine genaue Charakterisierung des Overlays erfordert große Mengen an Messungen, weshalb die Overlay-Messgeräte in der Regel automatisiert sind. Das Messprinzip der optischen Overlay-Messung basiert auf der Mustererkennung von kundenspezifischen Merkmalen, so dass die Performance von der optischen Qualität der Maskenbilder abhängt.

Ein neues Softwarepaket für Acquire Automation XT bietet die vollautomatische Messung und Analyse des Overlay-Offsets in x- und y-Richtung sowie der Rotation von Mikrostrukturen. Die Funktion kann sowohl auf hochauflösende Kamerabilder als auch auf FRT Bildfeldsensoren wie dem CFM (DT) angewendet werden. Diese Softwarefunktion in Kombination mit der leistungsstarken Sensorlinie von FRT hilft den Herstellern moderner 3D-IC-Bauteile, ihre Prozesse zu verbessern und die Produktionsausbeute zu steigern.

Ob Labor, Entwicklung, Qualitätssicherung oder Produktion – FRT bietet die passende Messtechnik für Ihre Anwendung aus dem Advanced Packaging. Zögern Sie nicht uns bei Fragen zu kontaktieren. Unsere Experten helfen Ihnen gerne bei der Lösung Ihrer Messaufgaben, indem sie die bestmögliche Systemkonfiguration für Sie erstellen.