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Weißlichtinterferometer

Waferdicken exakt messen

30.11.2023
von Redaktion DER KONSTRUKTEUR

Bei der Produktion von Halbleiterwafern kommt es auf hohe Präzision an. Einer der entscheidenden Schritte ist das Läppen der Rohlinge, die dabei auf eine einheitliche Dicke gebracht werden. Um die Schichtdicke fortlaufend zu kontrollieren, eignen sich Weißlichtinterferometer von Micro-Epsilon.

Bevor aus Silizium Halbleiter-Chips entstehen, sind viele Prozessschritte notwendig. Zunächst werden aus einem kristallinen Silizium-Ingot etwa 1 mm dicke Scheiben geschnitten, die anschließend geläppt werden. Dabei erhalten sie die gewünschte Dicke und Oberflächengüte. Erst dann können aus den Wafern mit weiteren Verfahren Halbleiter-Chips gefertigt werden.

Läppvorgang überwachen

Mit Läppmaschinen lassen sich Oberflächen präzise bearbeiten. Bei Silizium-Wafern sind Ungenauigkeiten der Oberfläche im Nanometer-Bereich notwendig. Dazu wird zwischen Läppscheibe und Wafer ein Gemisch aus Flüssigkeit und Schneidkörnern gebracht, die die Oberfläche spanend bearbeiten. Dadurch dass sich Läppscheibe und die Wafer gegeneinander um verschiedene Achsen drehen, wird Material abgetragen und die Oberfläche geglättet. Um die geforderten Genauigkeiten bei Oberflächengüte und Dicke zu erreichen, muss die Dicke des Wafers gemessen werden. Idealerweise passiert dies während des Verfahrens, das sich dadurch auf Basis der Messwerte exakt steuern lässt. Eine Messmethode, die Dickenmessungen mit Genauigkeiten im Nanometerbereich ermöglicht, ist die Interferometrie, die auf der Wellennatur des Lichts basiert. Werden zwei Wellen überlagert so kann konstruktive Interferenz entstehen, wenn Wellenberg auf Wellenberg beziehungsweise Wellental auf Wellental trifft, oder destruktive Interferenz, wenn Wellenberg auf Wellental trifft.

Industrielle Präzisionsmesstechnik

Um die Interferometrie als messtechnische Verfahren einzusetzen, wird ein Lichtstrahl aufgeteilt, sodass die beiden Teilstrahlen unterschiedliche Wege zurücklegen. Anschließend werden die Teilstrahlen überlagert, und die entstehende Interferenz wird beobachtet. Wenn sich nun die Länge einer der beiden Teilstrahlen ändert, ist dies im Interferenzmuster sichtbar. Ändert sich diese Länge um eine halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts, so führt das zu einem kompletten Wechsel von konstruktiver Interferenz zu destruktiver Interferenz. Soll das Verfahren zur Dickenmessung eingesetzt werden können die beiden Strahlen miteinander interferieren, die von der Vorder- und der Rückseite der Schicht reflektiert werden. Dadurch ist das Messergebnis gleichzeitig unabhängig vom Abstand zum Messobjekt.

Weißlicht-Interferometer mit SLD

Für die Weißlicht-Interferometrie eignen sich Superlumineszenz-Dioden, die die Vorteile von Laserdioden und herkömmlichen LED kombinieren und über eine hohe Ausgangsleistung und gleichzeitig ein breites Spektrum verfügen

Die Interferenz funktioniert mit monochromatischem Licht – beispielsweise aus einem Laser. Bei Änderung der gemessenen Länge wechselt das Interferenzmuster abwechselnd von Hell zu Dunkel. Prinzipiell funktioniert Interferometrie aber auch mit weißem Licht. Wichtig ist lediglich, dass eine kohärente Lichtquelle verwendet wird. Für die Weißlicht-Interferometrie eignen sich Superlumineszenz-Dioden (SLD). Diese kombinieren die Vorteile von Laserdioden und herkömmlichen LED. SLD haben eine hohe Ausgangsleistung und zugleich ein breites Spektrum.

Micro-Epsilon bietet Interferometer an, die mit SLD arbeiten. Der Lichtstrahl wird geteilt, die Teilstrahlen durchlaufen die beiden Wege und interferieren. Für die Messung wird das interferierende Licht zunächst in seine spektralen Bestandteile aufgespalten und danach auf eine Sensorzeile abgebildet, die das gesamte Spektrum aufnimmt. Zur Auswertung dieses Signals wird eine Fouriertransformation durchgeführt. Die einzelnen Peaks im Frequenzspektrum stehen für eine konstruktive Interferenz, woraus sich die Differenz der beiden Wege ergibt. Wenn die Teilstrahlen durch Reflektion an der Vorder- und Rückseite eines transparenten Materials entstehen, wird so die Dicke exakt bestimmt.

Geräte speziell für Halbleiter-Wafer

Weißlicht-Interferometer hat Micro-Epsilon bereits seit einigen Jahren im Portfolio. Für die Anwendung in der Waferherstellung mussten die vorhandenen Geräte aber grundlegend überarbeitet werden. Hintergrund ist die optische Transparenz der Siliziumwafer, die lediglich in einem Wellenlängenbereich um die 1.100 nm so hoch ist, dass sie für die Interferometrie geeignet ist. Bei diesen Wellenlängen weisen sowohl undotiertes Silizium als auch dotierte Wafer eine ausreichende Transparenz auf. Die Herausforderung bei der Konstruktion der neuen Interferometer war die Auswahl der passenden Komponenten. So mussten
neben neuen SLD mit dem passenden Wellenlängenbereich auch neue Gitter sowie eine passende Detektorzeile verwendet werden, die für diesen Wellenlängenbereich geeignet sind. Die Transparenz des Siliziums ermöglicht eine Dickenmessung von Wafern bis zu etwa 1 mm. Da die Transparenz mit der Dotierung abnimmt, verringert sich die maximal messbare Dicke bei hochdotierten Wafern auf etwa 0,8 mm.

Die Weißlichtinterferometer bestehen jeweils aus einem kompakten Sensor und einem Controller, der in einem robusten Gehäuse untergebracht ist. Eine im Controller enthaltene aktive Temperaturregelung sorgt für eine stabile Messung. Für die Dickenmessung von Wafern bietet Micro-Epsilon zwei verschiedene Gerätetypen an. Für die Integration in Läppmaschinen ist eine hohe Schutzart erforderlich, sodass die Sensoren durch das verwendete Gemisch aus Flüssigkeit und Schneidkörnern nicht in Mitleidenschaft gezogen werden. Bei diesem Typ erfüllen sowohl der Sensor als auch die Controller-Einheit die Schutzart IP67. Die Dickenmessung kann aber auch in den weiteren Prozess-Schritten der Halbleiterfertigung, etwa zur Qualitätskontrolle, eingesetzt werden. Hier gelten andere Bedingungen: Es wird im Reinraum und gegebenenfalls auch im Vakuum gearbeitet. Hier bietet Micro-Epsilon ein Gerät an, dessen Sensor vakuumtauglich ist. Die Anbindung an den Controller, der in einem Schaltschrank installiert werden kann, erfolgt dabei über einen Lichtwellenleiter.

Erfolgreiche Referenzprojekte

Die neuen Interferometer von Micro-Epsilon zur Dickenmessung von Wafern konnten bereits in Referenzprojekten in der Halb­leiterindustrie ausführlich getestet werden. Dabei wurden auch herausfordernde Anwendungen gemeistert: In den Läppmaschinen messen die Geräte auch dann zuverlässig, wenn sich Flüssigkeit mit den Schneidkörnern auf der Wafer-Oberfläche befindet. Bei der Reinraumvariante kommt die Reinraumtechnologie von Micro-Epsilon zum Einsatz, wodurch beispielsweise eine reinraumtaugliche Verpackung der Komponenten möglich ist.

Bild- und Textquelle: Micro-Epsilon

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