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Qualitätskontrolle für die Chipindustrie: Erstmals unsichtbare Unebenheiten auf Wafern messen

Bislang nur unvollständig und aufwändig zu ermittelnde Unebenheiten auf Halbleiterscheiben sind mit dem von Dr.-Ing. Alexander Tobisch am Fraunhofer IISB entwickelten Messverfahren leicht und preiswert zu detektieren. Hierfür erhielt er den Wissenschaftspreis der Stiftung Industrieforschung 2018.

Wissenschaftspreis 2018 Bildquelle: © JJohannes Hempel / Stiftung Industrieforschung

Jochen Kortmann (links im Bild), Kurator der Stiftung Industrieforschung, überreicht Dr. Alexander Tobisch (rechts im Bild) den ersten Preis der Stiftung Industrieforschung 2018.

Für die Halbleiterindustrie interessant ist die Möglichkeit, mit Dr. Tobischs Verfahren große Siliziumwafer mit Oberflächen unterschiedlichster Beschaffenheit (poliert, geschliffen oder strukturiert) mit einer einzigen Aufnahme bereits in einem frühen Produktionsstadium vollständig zu vermessen, und nicht wie bislang erst nach dem Polieren als Endkontrolle.

Dr. Tobischs Dissertation »Telezentrische Deflektometrie zur Nanotopographiemessung von Halbleiterscheiben« entstand am Fraunhofer IISB im Rahmen europäischer Verbundforschungsprojekte mit Partnern aus der Halbleiterfertigungs- und Zuliefererindustrie und erhielt jetzt von der Stiftung Industrieforschung den Wissenschaftspreis 2018.

Das Verfahren macht eine einfache und umfassende Qualitätskontrolle in der Halbleiterindustrie möglich und kann die Ausbeute bei der Herstellung von Mikrochips erhöhen. Bislang wurde die sogenannte optische Interferometrie zur Qualitätskontrolle eingesetzt, wobei die dafür verwendeten Messgeräte störanfällig sind, z.B. gegenüber kleinsten Erschütterungen, sowie aufwändig, teuer und relativ schwer in die Fertigungsprozesse zu integrieren. Qualitätsbeeinträchtigende Unebenheiten im Bereich weniger hundert Atomanlagen können damit aufwändig, wenn auch nicht zuverlässig detektiert werden.

Zielsetzung der Promotion von Alexander Tobisch war daher die Entwicklung eines neuartigen, gegenüber äußeren Einflüssen robusten und preisgünstigeren Messverfahrens. Die Herausforderung bestand nicht nur in der geforderten hohen Messgenauigkeit, sondern auch in der spiegelnden Oberfläche der polierten Halbleiterscheiben, denn gängige Messprinzipien funktionieren nicht auf spiegelnden Oberflächen. Grund dafür ist, dass ein perfekter Spiegel »unsichtbar« ist: Man sieht immer die sich spiegelnde Umgebung, jedoch nicht die Oberfläche selbst.

Die bislang verwendeten Messprinzipien sind die sogenannte Makyoh-Methode, die Unebenheiten mit gerichteter Beleuchtung visualisiert und die Streifenmuster analysierende Deflektometrie. Beide Verfahren sind höchst anspruchsvoll, was die Anforderungen an die Messgenauigkeit angeht. Dr. Tobisch hat die Verfahren zu einem neuen, »telezentrische Deflektometrie« genannten Beleuchtungsmuster kombiniert. Dabei ist die Verzerrung des gespiegelten Musters abhängig von der Form der Oberfläche, ähnlich einem Blick in einen gebogenen Spiegel, der das Spiegelbild verzerrt.

Neu zum Einsatz kommt ein telezentrisches Abbildungssystem, das die gerichtete Projektion eines optischen Muster auf die zu untersuchende Oberfläche ermöglicht. So können Neigungen der Oberfläche aus Verzerrungen des von dieser reflektierten Musters berechnet werden. Der Kalibieraufwand ist gegenüber den alten Verfahren gering, ebenso die systematischen Messabweichungen.