28 Сентября 2021
Автор и должность
Сергей Максимов, ведущий специалист
Отдел
ООО "Остек-АртТул"
Издание
Вектор высоких технологий №3(53) 2021
Посмотреть в формате pdf

Полупроводниковая промышленность — это компании, занятые в проектировании и производстве полупроводниковых приборов. Отрасль сформировалась около 1960 года после того, как производство полупроводниковых приборов стало рентабельным бизнесом. Само по себе полупроводниковое производство — это весьма трудоёмкий процесс с этапами травления, зачистки, диффузии, ионной имплантации, осаждения и химико-механической планаризации. Для повышения качества продукции на каждом этапе предусмотрен строгий контроль выпускаемой продукции. Как правило, основная нагрузка контроля в процессе изготовления изделия ложится на визуальную инспекцию. Поэтому в условиях повышенных требований к качеству недостаточно оснастить производство современным технологическим оборудованием и материалами — необходимо также выбрать наиболее совершенные методы технологического контроля.

Измерения и контроль — важная часть технологического процесса, позволяющая точно определять физические и размерные свойства материалов. С развитием и усовершенствованием полупроводникового производства возникает потребность в сложных программных инструментах контроля.

В статье мы рассмотрим инновационные системы визуального контроля для полупроводникового производства. Вы спросите, что в них инновационного? Всё просто! Развитие технологий и инженерных мыслей позволило объединить различные оптические технологии и методы визуальной инспекции, представив миру гибридные приборы.

ООО «Остек-АртТул» представило российскому рынку гибридную систему визуального контроля, разработанную японской компанией Lasertec Inc.

В основе работы системы лежит лазерная конфокальная микроскопия, конфокальная микроскопия белого света. Основной принцип работы конфокального микроскопа представлен на оптической схеме (рис 1).

Конфокальная микроскопия — разновидность световой оптической микроскопии, обладающей значительным контрастом и пространственным разрешением по сравнению с классической микроскопией, что достигается использованием диафрагмы, размещённой в плоскости изображения и ограничивающей поток фонового рассеянного света, излучаемого не из фокальной плоскости объектива. Это позволяет получить серии изображений на различных глубинах фокальной плоскости внутри образца и затем реконструировать трехмерное изображение образца из этих серий. Конфокальная микроскопия получила широкое применение в области биологии, медицины, в материаловедении и физике полупроводников.

На рис 2 представлен общий вид микроскопа Optelics Hybrid+ от компании Lasertec.

Небольшое компактное устройство размером всего лишь 380 × 515 × 690 мм и весом 40 кг. Микроскоп совмещает в себе шесть измерительных приборов в диапазоне измерений от нанометра до миллиметра. Его функционал (рис 3 и 4) сравним со сканирующей электронной микроскопией, атомно-силовым микроскопом, цифровым микроскопом, спектроскопическим рефлектометром и интерферометром.

Optelics Hybrid+ умещает в себе шесть различных приборов, а это значит, что в нём реализованы шесть оптических технологий для визуального контроля.

Конфокальная микроскопия белого света — это идеальный инструмент для визуального контроля в видимом диапазоне. Для получения изображений высокого разрешения были разработаны специальные светосильные объективы с широким полем зрения. Помимо визуального контроля (рис 5), с помощью конфокальной микроскопии белого света можно проводить прецизионные измерения в поле зрения объектива (рис 6). Если же объекты больше поле зрения, то систему можно оснастить координатным столиком 100 × 100 мм, который имеет разрешение энкодеров не более 1 нм в диапазоне перемещения 50 × 50 мм.

Как известно из курса физики, белый свет — это электромагнитное излучение видимого диапазона, которое вызывает у наблюдателя с нормальным цветовым зрением световое ощущение. Белый свет имеет минимум три монохроматических излучения, наглядно это можно увидеть на обложке музыкальной группы PINK FLOYD (рис 7), где белый свет, проходя через призму, раскладывается на спектр — на монохроматические одноцветные излучения.

В Optelics Hybrid+ также реализована функция разложения света, что позволяет изменять длину волны в диапазоне от 436 до 633 нм как в источнике излучения, так и в приемнике излучения, благодаря чему можно получить контрастное монохромное изображение. Изменение длины волны света в автоматическом режиме дает возможность получать изображения с высоким контрастом, что также повышает точность измерения при наведении на края объекта. Детектор, или как принято называть — приёмник излучения, позволяет обрабатывать 24-битные изображения, выделяя на каждый канал по 8 бит, и среди конкурирующих продуктов не имеет аналогов, так как в 99 % таких систем применяются классические ПЗС-матрицы. Такая обработка изображений дает колоссальную глубину цвета, тем самым подтверждая идеальность этого инструмента для визуального контроля и измерений.

Лазерная конфокальная микроскопия благодаря когерентному источнику излучения позволяет получать изображения с высоким разрешением, соизмеримым со сканирующей электронной микроскопией. И если сканирующая электронная микроскопия работает в вакуумной системе, то лазерная конфокальная микроскопия не требует таких условий, позволяя максимально сократить время на проведение исследований. А использование специально разработанных объективов для формирования лазерного излучения дает возможность получить увеличение до 5 550 крат с пространственным разрешением 0,001 микрон (рис 8).

Дифференциально интерференционный контраст (ДИК) совместно с конфокальной микроскопией позволяет проводить исследование ультратонкой морфологии без каких-либо засветок и бликов даже на прозрачных образцах (рис 9).

Интерференция белого света с вертикальным сканированием — технология измерения высот, ступеней, шероховатость поверхности, определения формы объекта бесконтактным методом. Позволяет получать значения измерений на уровне ангстрем и нанометров. Измерения нанометровых размеров (рис 10) рассчитываются путем получения значений шкалы по оси Z в положениях пиков интенсивности интерференционных полос, создаваемых белым светом и двухлучевым интерференционным объективом. Разрешение по оси Z — 0,05 нанометров. Ввиду развития полупроводниковых производств и технологий, измерений в нанометровом диапазоне порой бывает недостаточно, и в этом случае разработчик предусмотрел возможность измерения на уровне ангстрем! Если ранее мы говорили, что значения по оси Z обеспечивались разрешением шкалы, то в этом случае — фазовым сдвигом интерференционных полос, то есть половины длины волны света источника излучения (рис 11).

Спектроскопическая рефлектометрия — технология измерения наноразмерных толщин прозрачных плёнок. Метод измерения основан на множественном отражении света между поверхностями плёнки и подложки. Применяется для измерения оксидированных плёнок, многослойных плёнок с различными структурами (рис 12).

Таблица 1 Технические характеристики объективов Optelics Hybrid+

Объектив

Рабочее расстояние (мм)

Числовая апертура (NA)

Специально разработанные объективы

(с высокой числовой апертурой)

5× LT

10,0

0,25

10× LT

1,60

0,50

20× LT

0,80

0,75

NEW20× LT

1,65

0,80

Парофокальные объективы 60 мм (расстояние от места установки объектива до поверхности образца в фокусе)

Классические объективы

3,8

0,03

2.5х

6,50

0,075

23,50

0,15

10х

17,50

0,30

20х

4,50

0,45

50х

1,00

0,80

50х APO

2,00

0,80

100x

1,00

0,90

100x APO

2,00

0,90

150x APO

1,50

0,90

Объективы с увеличенным рабочим расстоянием

20Х ELWD

19,00

0,40

50Х ELWD

11,00

0,60

100× ELWD

4,50

0,80

Объективы с большим рабочим расстояние

10х SLWD

37,00

0,20

20х SLWD

30,00

0,30

50х SLWD

22,00

0,40

100х SLWD

10,00

0,60

Парофокальные объективы 45 мм (расстояние от места установки объектива до поверхности образца в фокусе)

Объективы

(с высокой числовой апертурой)

50x APO

0,35

0,95

100x APO

0,32

0,95

150x APO

0,30

0,95

Двухлучевые интерференционные объективы

TI 2.5x

10,30

0,075

TI 5x

9,30

0,13

DI 10x

7,40

0,30

DI 20x

4,70

0,40

DI 50x

3,40

0,55

DI 100x

2,00

0,70

Таблица 2 Технические характеристики Optelics Hybrid+

Источник света

Ксенон/Диод

Лазер 405 нм

Поле зрения/увеличение

Источник света

Объектив

Увеличение

Поле зрения

Белый свет

18,5 х

15000×15000

2.5x

46,2 х

6000×6000

5x

92,5 х

3000×3000

10x

185 х

1500×1500

20x

370 х

750×750

50x

925 х

300×300

100x

1850 х

150×150

150x

2775 х

100×100

Лазер

50x

1850 х

150×150

100x

3700 х

75×75

150x

5550 х

50×50

ZOOM

1x — 8x

Метрологические характеристики (XY)

Минимальная единица измерений

0,001 мкм

Точность

±[0.02×(100/увеличение объектива)+L/1000 ] мкм

Повторяемость (3σ)

10 нм

Метрологические характеристики (Z)

Разрешение

0,05 нм

Точность

±(0.11+L/100) μm

Повторяемость (σ)

10 нм

Диапазон измерения

7 мм

Диапазон перемещения по Z

80 мм

Смена объективов

Моторизированная 5-позиционная турель

Диапазон перемещения по XY

Ручной/моторизированный 100×100 мм, 50 мм перемещение

Функции

ДИК

Интерферометр белого света с вертикальным сканированием

Интерферометр фазового сдвига

Спектроскопический рефлектометр

ПО

Захват изображения

HDR mode, Patchwork, multi-gain,

Обработка изображений

Коррекция формы поверхности (наклон, сферическая), устранение шума, фильтр, выделение цвета, бинаризация

Анализ профиля

Измерение профиля, измерение сравнения, измерение шероховатости поверхности, измерение ширины и шага, измерение толщины пленки

Вывод данных

Специальное расширение, файл изображения общего назначения, файл CSV

Функциональные преимущества

Помимо широкого функционала измерений и большого набора объективов Optelics HYBRID+ имеет ряд функциональных преимуществ в аппаратной и программной частях: высокая скорость и точность измерения, автоматическая оптимизация параметров при старте работы и анализе, макросы, сшивка, плоскостные измерения.

Высокая точность и скорость измерений обеспечивается широким диапазоном обработки частоты кадров от 15 до 120 Гц. Это позволяет сократить время измерения в 4 раза в отличие от классических лазерных конфокальных микроскопов. Функция эффективна при сшивке изображений и наблюдении динамических исследований. HYBRID+ обеспечивает наилучшие показатели точности и воспроизводимости среди других производителей конфокальных лазерных микроскопов как при измерении в горизонтальных осях, так и при измерении высоты. При этом все метрологические параметры откалиброваны согласно стандартам NIST (Национальный институт стандартизации и технологий).

В части программного обеспечения Optelics HYBRID+производитель разработал уникальную «экосистему», максимально автоматизировав все процессы, значительно упростило работу на столь сложном по функционалу приборе (рис 13).

В стандартном исполнении Optеlics HYBRID+ является отличным решением для проведения научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы. Но при контроле на массовом производстве производитель предлагает унифицированные системы со специальными столами портального типа (рис 14).

Optеlics HYBRID+ от Lasertec Inc. на мой взгляд очень интересное оборудование и на российском рынке будет весьма востребованным продуктом. А так как данная статья посвящена гибридным системам, в продуктовой линейке представлена еще одна уникальная установка, которая уместила в себе одновременно световую и электронную микроскопию.

Сканирующий электронно-световой микроскоп NanoFlash

NanoFlash — это совершенно новый и по своим характеристикам уникальный микроскоп, который сочетает в себе световую и электронную микроскопию. Систему производит молодая и перспективная южнокорейская компания ModuleSci. «Остек-АртТул», заручившись рекомендациями компаний, составляющих южно-корейский конгломерат: «MTDI Inc.» — производитель оборудования для подготовки образцов для материалографии и металлографии, «Coxem Inc.» — производитель портативных сканирующих электронных микроскопов, «ISP CO XRF Inc.» — производитель рентген-флуоресцентных анализаторов-толщиномеров, подписал контракт на эксклюзивные права по организации поставок и технического сопровождения на всем протяжении эксплуатации корреляционных микроскопов. Такой вид сотрудничества позволяет ООО «Остек-АртТул» быть лидером в области поставок систем визуального контроля и аналитического оборудования.

Все гениальное просто! Именно так можно сказать о гибридной системе NanoFlash от ModuleSci, рассмотрев оптическую систему устройства на рис 15. В одном корпусе совмещены световой и электронный микроскопы, при этом оборудование в применении не уступает по техническим характеристикам каждой отдельной единице.

Таблица 3 Технические характеристики NanоFlash

Габариты (Ш х Г х В)

850×900×1500 мм

Источник электронов

Вольфрамовая нить, CeB6, LaB6, FE

Разрешение

FE (1,5 нм) вольфрамовая нить (4 нм), CeB6 (2,5 нм), LaB6 (2,5 нм), оптика (700 нм)

Увеличение

х20 — х 300 000

Ускоряющее напряжение

0,5 — 30 кВ

Размер камеры

40×40×45 мм

Размер образцов

Ø30 мм, высота 10 мм

Диапазон перемещения

XY: ±40мм, Z: 5-50мм, T:-20°-60°, R: 360°

Детекторы

BSE, EDS

NanoFlash может одновременно работать в режиме световой и электронной микроскопии, также систему можно оснастить спектральным оборудованием для проведения химометрического анализа. При работе в режиме сканирующей электронной микроскопии пространственное разрешение составляет не более 3 нм, а в режиме световой микроскопии — не более 700 нм (рис 16).

Гибридные системы, представленные в статье, действительно инновационные, ведь раньше под каждый метод исследования нужно было использовать отдельные приборы применять соответствующую технологию, а теперь различные методы контроля совмещены в одном приборе. Это несомненный плюс, который позволит сократить время межоперационного контроля и получить больше информации об исследуемом объекте. Данные системы применимы не только в производстве полупроводников, но также в исследовательской работе других отраслей: прецизионное машиностроение, биология и медицина, и многие другие. За гибридными системами — будущее!