13.03.2018

Vollständige Nanotopographieanalyse von Wafern mit dem MicroProf®

Die Skalierung von Transistorstrukturen auf immer kleinere Strukturgrößen ist von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Chip-Performance bei gleichzeitiger Steigerung der Energieeffizienz. Lithographieprozesse für diese fortschrittlichen Chipgenerationen erfordern Siliciumwafer, die auf die Anforderungen der Chiphersteller zugeschnitten sind. Modernste Lithographieverfahren erfordern Siliciumwafer mit nahezu perfekter Ebenheit. Um die Waferfertigungsprozesse und die Waferqualität zu verbessern, müssen bereits frühere Fertigungsprozesse wie Schleifen und Läppen überwacht werden. Die Bewertung der Nanotopographie (NT) ist ein etablierter Ansatz zur Analyse von Oberflächenmerkmalen in einem räumlichen Wellenlängenbereich von 0,2 bis 20 mm auf Siliciumwafern am Ende der Produktionslinie (EoL).

In der Waferfertigung ist die Basis für eine perfekte Oberflächenqualität im EoL bereits in frühen Fertigungsstufen gegeben. Dies erfordert eine geeignete Messtechnik, die in der Lage ist, die Oberflächentopographie eines vollständigen Wafers nach Läpp- oder Schleifprozessen zu messen, d.h. auf nicht polierten Oberflächen mit stark variierendem Reflexionsvermögen.

Der MicroProf® FE bietet eine zuverlässige Lösung für die NT-Messung von 300-mm-Siliciumwafern in frühen Produktionsstadien. Das System ist in der Lage, sich an unterschiedliche optische Oberflächeneigenschaften der Proben anzupassen; polierte sowie geschliffene oder geläppte Wafer können gemessen werden. Um eine komplette Wafer-Map zu erstellen, müssen 16 Einzelmessungen mit speziellen Algorithmen zusammengefügt werden. Die Leistungsfähigkeit des  MicroProf® FE erfüllt die Anforderung an die Präzision einer NT-Messung insbesondere auf geschliffenen Waferoberflächen.

Der MicroProf® FE stellt die Standardlösung für vollautomatische Messanwendungen in der Halbleiterindustrie dar. Das System verfügt über ein Roboter-Handling für 200-mm- und 300-mm-Wafer in einem EFEM-Gehäuse (Equipment Front End Module) mit ISO-Klasse-3 Reinraumbedingung. Die Steuerung erfolgt vollständig über eine Automatisierungssoftware. Eine grafische Benutzeroberfläche ermöglicht die individuelle Einstellung von Messrezepten. Für die Integration in die Fertigungsautomatisierung steht eine SECS/GEM-Protokoll-basierte Schnittstelle zur Verfügung. Der MicroProf® FE wurde für die hochpräzise optische Topographie- und Dickenmessung auf 300 mm Wafern entwickelt. Er verfügt über zwei Loadports für das automatische Handling von Waferkassetten. Eine integrierte Notch-Ausrichtstation ermöglicht die Orientierung des Wafers vor der Platzierung auf dem Wafertisch. Das Wafer-Handling wurde durch ein Rückseitengreifsystem mittels Vakuumpaddel realisiert. Damit ist auch das Handling von Wafern ohne Kantenabrundung möglich. Das Messgerät des MicroProf® FE ist mit massivem Granitsockel und als Gantry-Aufbau konzipiert. Ein 420 mm x 310 mm großer, hochpräziser xy-Tisch dient der genauen Positionierung des Wafers unterhalb der Sensoren.

Zur NT-Analyse enthält der MicroProf® FE einen WLI-Sensor und einen chromatischen Weißlicht-Punktsensor (CWL). Der WLI-Sensor dient zur Flächenmessung, während der CWL-Sensor in Kombination mit einem zweiten CWL-Sensor, der gegenüberliegend unter dem Tisch montiert ist, Messungen der Waferdicke und -form ermöglicht. Die Schlüsselkomponente für die NT-Analyse, der Weißlichtinterferometrie-Sensor WLI PL, bietet ein großes Bildfeld (FoV) von ca. 85 x 85 mm2. Die laterale Auflösung ist besser als 150 μm und die vertikale Genauigkeit unter 10 nm. Die Empfindlichkeit des Sensors kann entsprechend angepasst werden, um Oberflächen mit niedrigem Reflexionsvermögen von z. B. geschliffenen oder geläppten Silicium-Wafern zu prüfen.

Um NT-Features im nm-Bereich messen zu können, ist ein sorgfältiges Design der Waferhalterung erforderlich. Herkömmliche Vakuumwaferhalter können aufgrund der abgeflachten Wafertopographie nicht verwendet werden. Darüber hinaus führen Partikel, die nach dem Schleifen unvermeidlich auf den Wafern zurückbleiben und sich auf dem Chuck ansammeln, zu NT-Artefakten eines Wafers. Abhängig von dem spezifischen Waferchuck hat die gravitative Durchbiegung der Wafer einen großen Einfluss auf die Nanaotopographie. Darüber hinaus können ungedämpfte Vibrationen des Wafers die Stabilität einer Interferometriemessung beeinträchtigen. So wurde ein Waferchuck entwickelt, der den Wafer vollständig sanft lagert. Kleine Ausschnitte ermöglichen Wafer-Handling und Dickenmessungen entlang vordefinierter Richtungen. Die Chuckform wurde so optimiert, dass verbleibende gravitative Verformungen eines Siliciumwafers durch den anschließenden NT-Filterprozess minimiert werden.

Gesteuert wird der Messvorgang durch die FRT Automatisierungssoftware Acquire Automation XT. Alle Einstellungen für die Messung und die anschließende Datenverarbeitung erfolgen rezeptgesteuert. Das Messgerät ist über die SECS/GEM-Schnittstelle mit dem Fertigungsautomatisierungssystem verbunden. Dies ermöglicht die vollständige Kontrolle des Messprozesses und die Übertragung der Messdaten inklusive der Ergebnisse der Klassifizierung der Wafer in eine zentrale Datenbank. 16 Einzelmessungen sind erforderlich, um eine komplette 300 mm Waferoberfläche mit dem WLI PL Sensor mit FoV von 85 x 85 mm2 abzudecken. Der Messtisch bewegt den Wafer unter den fixierten Sensor, um die 16 Einzelbildaufnahmen zu erhalten. An jeder dieser 16 Positionen wird der 3D-Scan mit einer Überlappung von 10 mm zwischen benachbarten Bildern aufgenommen. Es kann ein Durchsatz von 20 Wafern pro Stunde inklusive Wafer-Handling und Datenverarbeitung erreicht werden.

Nach dem Stitching-Prozess muss die Topographiekarte hochpassgefiltert werden, um die globale Waferform zu entfernen. Die Hochpassfilterung nach SEMI-Standard M78, d.h. die Anwendung eines Doppel-Gauß-Filters (DG) mit einer Cut-Off-Wellenlänge von 20 mm, ist in der Software implementiert. Die Datenextrapolation über die physikalische Waferkante hinaus ermöglicht eine artefaktfreie Nahkantenfilterung und damit Kantenausschluss < 1 mm.

NT-Analyse und Datenreporting sind nach dem SEMI-Standard M43 implementiert. Der erste Schritt nach der NT-Filterung ist die Bestimmung der Peak-to-Valley (PV)-Höhenvariation zwischen den Bildpunkten in einem vordefinierten Analysebereich. Der Wert wird der Mitte des Analysebereichs zugeordnet. Diese Berechnung wird wiederholt, indem der Analysebereich Pixel für Pixel über die gesamte Fläche des Wafers bewegt wird. Es können kreisförmige oder quadratische Analyseflächen verwendet werden. Typische Größen liegen zwischen 2 x 2 mm² und 10 x 10 mm² (bei quadratischer Fläche). Im nächsten Schritt wird die Schwellwertkurve als %-Fläche vs. Schwellwertkurve generiert. Die %-Fläche berechnet sich aus der Anzahl der Analysebereiche, bei denen der PV-Wert den Schwellenwert überschreitet. Die Flächenangaben werden als Prozentsatz der gesamten Waferfläche angegeben. Schließlich werden aus den Schwellenkurven zwei Parameter berechnet: %-Fläche bei einer bestimmten Schwelle und PV-Schwellenwert bei einer bestimmten %-Fläche. Dieser Ansatz wird als Schwellenhöhenanalyse (THA) bezeichnet. Unser MicroProf® bietet somit eine zuverlässige Lösung für die NT-Messung von 300-mm-Siliciumwafern in frühen Produktionsstadien.

Wir haben sicher auch eine Lösung für Ihre spezifische Aufgabe. Zögern Sie nicht uns bei Fragen zu kontaktieren. Unsere Experten werden sich gerne um Ihr Anliegen kümmern und individuelle Lösungen für Sie ausarbeiten.