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Caratterizzazione dell'evoluzione indotta dalla temperatura della forma e della struttura di un wafer di silicio

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L'utilizzo della camera di controllo della temperatura di precisione di Linkam con l'obiettivo Linnik di Sensofar elimina questi problemi e permette una misurazione accurata dei profili topografici 3D dei materiali su scala nanometrica

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In questo caso di studio, Linkam e Sensofar Metrology dimostrano la loro collaborazione nella produzione di un setup sperimentale per esperimenti di profilometria ottica a temperatura controllata. Questa è stata storicamente una procedura difficile a causa dei problemi di imaging causati dalle aberrazioni sferiche. L'utilizzo della camera di controllo della temperatura di precisione di Linkam con l'obiettivo Linnik di Sensofar elimina questi problemi e permette una misurazione accurata dei profili topografici 3D dei materiali in nanoscala. Qui osserviamo i cambiamenti nella topografia dei wafer di silicio mentre evolvono con le temperature da 20°C fino a 380°C.

Rapid Thermal Processing (RTP) è un passo importante nel processo di produzione di wafer di silicio, in cui il wafer è rapidamente riscaldato a temperature elevate per un breve periodo di tempo, poi lentamente raffreddato in modo controllato, al fine di impartire le proprietà semiconduttive desiderate al wafer. Tuttavia, RTP, causa stress termico che porta ad altri problemi nella fotolitografia che possono influenzare le prestazioni del dispositivo, come la rottura a causa dello shock termico o la dislocazione del reticolo molecolare. Comprendere il comportamento di un wafer in queste condizioni può aiutare a ottimizzare il processo, migliorando le proprietà dei semiconduttori e la durata del wafer.

Un metodo chiave per valutare gli effetti del cambiamento di temperatura durante la produzione dei wafer è quello di misurare la rugosità superficiale del wafer in funzione della temperatura. Per fare questo, la rugosità della superficie viene osservata con una tecnica di interferometria in combinazione con l'uso di una camera termica, che permette di aumentare la temperatura con precisione a valori simili a quelli durante il processo di produzione mentre si osserva il campione attraverso la microscopia.

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Figura 1. Wafer di silicio modellato

Ci sono diversi fattori che introducono una certa complessità nell'ottenere queste misure interferometriche. In primo luogo, per visualizzare il campione e ottenere i dati mentre si controlla accuratamente la temperatura nella camera, è necessario fare osservazioni attraverso la finestra ottica della camera. Questa finestra ha uno spessore di 0,5 mm, ma in alcuni casi può arrivare a 1 mm, a seconda del grado di isolamento termico richiesto. Questa finestra, essendo di un indice di rifrazione diverso dall'aria, introdurrebbe aberrazioni ottiche e disallineamenti che, quando si analizzano i wafer di silicio, dovrebbero essere corretti per ottenere dati affidabili. Inoltre, quando la temperatura all'interno della camera aumenta, il calore viene emesso all'esterno attraverso la finestra di osservazione, e questo non è ideale per la microscopia ottica. Nell'aria vicina a quella finestra, la temperatura può raggiungere i 60 gradi Celsius, il che può portare alla deformazione dell'obiettivo, introducendo aberrazioni.

Per affrontare i problemi sperimentali dell'interferometria a temperature variabili, si può usare un interferometro di Linnik. L'interferometro di Linnik introduce l'uso di ottiche di misura all'interno del braccio di riferimento di un interferometro classico. Questo permette di compensare e correggere l'effetto della finestra ottica come la dispersione cromatica e le aberrazioni ottiche, permettendo di lavorare con obiettivi in campo chiaro che hanno una maggiore distanza di lavoro rispetto ai tradizionali obiettivi interferometrici.

In questo lavoro, studiamo l'effetto del processo RTP sui wafer di silicio tenendo conto delle aberrazioni ottiche causate dai cambiamenti di temperatura. Sono stati utilizzati due diversi campioni, corrispondenti a diversi disegni di chip da wafer di silicio. Il campione A aveva una dimensione di 2,8 mm x 1 mm, mentre il campione B era di 3,0 mm per 2,35 mm. I wafer di silicio hanno valori tipici di rugosità superficiale su scala sub-micron, quindi la tecnologia ottica ideale per questa applicazione è l'interferometria a scansione di coerenza (CSI, ISO 25178, parte 604). CSI offre solo 1 nm di rumore di sistema, indipendentemente dall'ingrandimento della lente utilizzata.

Per la progettazione e la costruzione dell'obiettivo Linnik, sono stati utilizzati due obiettivi Nikon 10x EPI (Nikon, MUE12100) con 17,5 mm di distanza di lavoro. La stessa configurazione è disponibile con obiettivi 10xSLWD (Nikon, MUE31100), che forniscono una distanza di lavoro di 37 mm. Questo rende le emissioni termiche della fotocamera quasi impercettibili all'obiettivo e non influenzano o danneggiano la qualità della misurazione. L'obiettivo Linnik è stato montato sul profilometro ottico 3D (Sensofar, S neox), che combina 4 tecnologie ottiche nella stessa testa sensore: Confocale, CSI, PSI e variazione di messa a fuoco. Queste tecniche sono coperte dalla norma ISO 25178.

La temperatura è controllata utilizzando una camera Linkam LTS420 e il regolatore di temperatura T96, che permette di aumentare e controllare la temperatura tra -195° e 420°C con una precisione di 0,01°C, mentre la rugosità del campione è osservata attraverso la finestra della camera. La camera permette anche il controllo della pressione e dell'umidità, ma questo non è stato studiato in questo studio.

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Figura 2. Configurazione sperimentale di Linkam LTS420 e Sensofar Linnik). Schema della configurazione ottica Linnik

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Il campione di wafer è stato posto nella camera Linkam sotto il profilatore ottico S neox con la configurazione Linnik. La routine di acquisizione consisteva nell'aumentare la temperatura da 30°C a 380°C a passi di 50°C, prendendo 8 misure topografiche del campione ad ogni passo. Questa procedura è stata ripetuta per tre campioni.

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Figura 3. Grafico tempo-temperatura che mostra i passi di temperatura ai quali sono state effettuate le misurazioni ottiche.

Utilizzando il software SensoMAP, i risultati sono stati visualizzati e analizzati creando un template e applicandolo a tutti i campioni. Il template permette l'estrazione di 3 profili in ogni topografia (orizzontale, diagonale e verticale) e la rappresentazione nello stesso plot, e inoltre costruisce una sequenza delle topografie per esportarla come video e rappresentarla in un plot 4D.

Due immagini topografiche dello stesso campione sono state acquisite con la metodologia di cui sopra e sono mostrate nella Figura 5 come mappe di altezza bidimensionali. Le tre linee solide rappresentano i tre diversi profili (orizzontale, verticale e diagonale) estratti per ogni topografia. I profili in ogni direzione sono mostrati in Figura 6, dove possiamo vedere l'evoluzione per le diverse temperature alle quali il campione è stato prelevato. Le immagini mostrano che quando si riscalda il campione, la sua topografia cambia.

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Figura 4. Mappe altimetriche bidimensionali che mostrano la topografia del campione A a (a) 30ºC e (b) 80ºC. Le linee nere indicano le tre direzioni in cui sono stati presi i profili per ulteriori studi.

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Figura 5. (a) Profili orizzontali, (b) diagonali e (c) verticali estratti dalle misurazioni del campione A a otto diverse temperature.

I dati possono essere tracciati in un'immagine topografica 3D come mostrato nella Figura 7. Impilando le immagini 3D in funzione della temperatura, creando una "trama 4D", che mostra i cambiamenti topografici a diverse temperature utilizzando la stessa scala di colori in altezza, mostrando come i campioni si piegano al variare della temperatura. È chiaro che più alta è la temperatura, maggiore è la flessione sperimentata dai campioni.

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Figura 6. Vista 4D impilata delle topografie estratte da (a) campione A e (b) campione B per un confronto visivo del cambiamento di arco sperimentato quando i campioni passano da 30 ºC a 380 ºC.

Per quantificare l'arco dei campioni, sono stati utilizzati due diversi parametri. Il primo è Sz, che è il parametro di rugosità superficiale per l'altezza massima di una superficie secondo ISO 25178. Il secondo è Wz, corrispondente alla controparte di Sz nell'analisi del profilo (ISO 4287). Sia Sz che Wz sono stati ottenuti dopo aver applicato un filtro S alla superficie (o profilo) con un cut-off di 0,8 mm. In questo modo, solo le lunghezze d'onda spaziali più lunghe rimangono sulla superficie, liberandosi della rugosità e lasciando solo l'ondulazione per l'analisi dell'arco.

I parametri risultanti per i campioni A e B sono rappresentati nella Figura 9. Per il campione A, si osserva una relazione quasi lineare tra l'arco e la temperatura fino a 180ºC, che si stabilizza da 180ºC a 380ºC. D'altra parte, il campione B non ha mostrato alcun cambiamento notevole dell'arco fino a quando non ha superato i 230ºC.

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Figura 7. Evoluzione dell'arco in (a) campione A e (b) campione B in funzione della temperatura. I parametri di ondulazione Wz sono stati estratti dai profili orizzontale, diagonale e verticale della Figura 5. Il parametro di rugosità Sz è stato calcolato dalla superficie dopo aver applicato un filtro S di 0,8 mm.

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Figura 8. (a),(b) Topografie di rugosità filtrate del campione A (sopra) e del campione B (sotto) rispettivamente a 30 ºC e 380 ºC. Filtro S 2.5 μm, filtro L 0.8 mm. (c),(d) Altezza e parametri di rugosità ibrida delle topografie (a) e (b) rispettivamente.

La fattibilità della configurazione proposta è stata dimostrata per eseguire con successo misure di rugosità e ondulazione a diverse temperature. Sono stati osservati due diversi comportamenti della topografia superficiale a seconda del design del chip. Il campione A ha mostrato un comportamento di flessione precoce durante il riscaldamento del campione, mentre il campione B ha mostrato la flessione in una fase successiva.

Il profilatore ottico S neox 3D con un obiettivo Linnik ha dimostrato di essere il complemento perfetto per la camera LTS420 di Linkam per eseguire tali misure sperimentali. Inoltre, diversi obiettivi in campo chiaro sono compatibili con la configurazione Linnik, offrendo distanze di lavoro fino a 37mm e ingrandimenti fino a 100x per applicazioni che richiedono un'alta risoluzione laterale.

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