Comment évaluer la distribution de rugosité des wafers au moyen de la microscopie à force atomique

Problématique / Besoin :

La rugosité de surface est l'un des paramètres de qualité les plus importants pour les matériaux de wafer dans l'industrie et la science. La microscopie à force atomique est une méthode parfaite pour évaluer la rugosité de surface avec une grande précision. Un flux de travail de mesure optimisé pour la manipulation des wafers, la mesure de lots et l'évaluation des données permet une analyse à l'échelle nanométrique avec un rendement élevé. 

Méthode utilisée / Réponse apportée :

Introduction

Les wafers sont la matière première la plus importante de l'industrie des semi-conducteurs. La demande annuelle de wafers n'a cessé d'augmenter au cours des 10 dernières années, passant de 70 millions d'unités en 2010 à plus de 100 millions d'unités par an pour la période 2017-2019. Les microstructures qui créent finalement les composants fonctionnels tels que les dispositifs logiques, les puces de mémoire, les LED ou les capteurs sont produites par une séquence complexe d'étapes de revêtement, de gravure et de nettoyage qui sont répétées jusqu'à ce que la structure 3D souhaitée soit terminée. La qualité de surface initiale et le proprété du wafer sont de la plus haute importance pendant tout le processus de micro-structuration. La spécification des wafers implique des paramètres de planéité, de variation d'épaisseur, de nombre acceptable de particules et de rugosité de surface. Pendant la micro-structuration, une grande variété de paramètres est contrôlée afin de maintenir une qualité et un rendement élevés. Les exemples typiques sont le contrôle dimensionnel après les étapes de processus individuelles, l'analyse des dimensions critiques, la largeur de ligne et la rugosité des bords de ligne, la détection et le contrôle des défauts pour les masques lithographiques et le contrôle de la qualité de la rugosité de surface après métallisation, nettoyage du polissage chimio-mécanique. 

Par conséquent, les producteurs de wafers et l'industrie des semi-conducteurs qui en découle, mais également les fournisseurs d'équipements tels que des installations de découpe en dés, des instruments de nettoyage ou de polissage ou les producteurs de masques de photolithographie nécessitent une méthode efficace et fiable d'évaluation de surface. La microscopie à force atomique est la méthode la plus précise et non destructive pour mesurer la topographie de surface à l'échelle nanométrique. Il crée un modèle tridimensionnel de la surface qui est la base de l'analyse de surface, y compris la rugosité de surface, la détection de particules ou d'artefacts et la mesure des dimensions critiques. La rugosité de surface d'un wafer est un paramètre très important. Tout d'abord, il définit la qualité de la surface de la tranche dans l'état initial, mais comme mentionné, il est également utilisé pour évaluer les étapes de traitement ultérieures (revêtement, gravure, nettoyage, etc.), car ces processus modifient la surface et influencent la rugosité de la surface. Le contrôle qualité, l'inspection entrante ou sortante ou le contrôle statistique des processus nécessitent une analyse des wafers sur un nombre de points statistiquement significatif. Pour ces tâches, un processus de mesure efficace est nécessaire, à partir de la sauvegarde et du chargement facile de l'échantillon, jusqu'à la définition du ou des points que vous souhaitez scanner, de la mesure automatique et de l'acquisition des données et de l'analyse des informations obtenues. Le microscope à force atomique "Tosca 400" d'Anton Paar et la platine de wafer disponible en option pour le Tosca 400 ont été conçus pour soutenir toutes les industries impliquées dans la production ou le traitement de matériaux de wafer. Nous rapportons ici une tâche de mesure typique - l'analyse de la distribution de la rugosité de surface d'un échantillon de wafer industriel. Cela comprend l'évaluation de 9 emplacements différents de la surface et montre le flux de travail de mesure complet, du chargement de l'échantillon à l'analyse des données. 

1. Flux de travail de mesure

Manipulation des échantillons

Avant d'effectuer une mesure AFM, le positionnement du wafer sur l'étage de wafer est nécessaire. Une position stable du wafer est très importante lors de la mesure très précise afin de garantir une haute qualité des données. La platine Wafer pour Tosca 400 offre trois positions dédiées pour les wafers d'un diamètre de 4, 6 et pouces (100, 150, 200 mm). Pour la mesure de fragments ou de wafers d'un diamètre de 3 pouces ou moins, il existe une position de fragment dédiée. 

La position du wafer pour chaque diamètre est assurée par des bouchons conçus avec précision. Les bouchons permettent également un centrage automatique du wafer. Ils peuvent facilement être placés et déplacés par le style magnétique. Pour manipuler les wafers, des pinces à vide spécialement conçues sont généralement utilisées dans l'industrie des semi-conducteurs. La platine Wafer pour Tosca 400 est conçue pour être utilisée avec des pinces à vide courantes pour la manipulation des wafers. Cela permet un chargement ou un déchargement sûr et facile du wafer dans le Tosca. Après avoir placé le wafer, l'échantillon est fixé par le vide qui sécurise l'emplacement et aussure un contact optimisé entre la platine du wafer et l'échantillon. 

Sélection du type de wafer et alignement automatique des wafers

Il existe de nombreux types de wafers dont le diamètre, le dopage et l'orientation des cristaux diffèrent. En outre, la surface d'intérêt peut être sur les wafers avant ou arrière. Ces paramètres sont typiquement codés sur le wafer mécaniquement par des emplacements différents des méplats primaires et secondaires du wafer ou par une encoche. Une fois l'échantillon chargé, le type de wafer est choisi dans un menu de sélection dans le logiciel de contrôle. 

Ensuite, le méplat primaire ou l'encohe (pour les wafers de 200 mm, 8") du wafer peut être défini manuellement ou par détection automatique. C'est ce que l'on appele "l'alignement automatique des tranches". La connaissance de la position du plat principal ou de l'encoche du wafer permet d'établir un système de coordonnées basé sur le wafer. Cela permet de naviguer via des coordonnées absolues, de localiser et également de déplacer des points spécifiques sur le wafer à tout moment ou de charger les coordonnées existantes d'autres instruments d'analyse pour effectuer une analyse AFM avec le Tosca exactement à la même position. 

Cependant, l'alignement des tranches est facultatif. S'il est ignoré, la navigation est effectuée par des coordonnées relatives basées sur le système de coordonnées de l'étage du wafer avec la même précision élevée. Dans les deux cas, l'utilisateur peut choisir entre la navigation dans un système de coordonnées cartésien ou polaire. 

Mesure de lots

Des statistiques représentatives à partir de données AFM lors de l'analyse de tranches pleines sont essentielles dans l'analyse des défaillances et l'optimisation des processus. La fonction de mesure par lots du logiciel de contrôle du Tosca 400 permet de définir différents emplacements de mesure et d'ajouter, de modifier, de réorganiser et de redéfinir les mesures existantes dans une configuration intuitive. Après le début de la mesure par lots, le Tosca effectue les scans automatiquement dans la séquence définir. Des fichiers batch prédéfinis peuvent être créés et chargés pour des mesures standardisées. L'analyse des mesures peut être également effectuée automatiquement à l'aide de modèles prédéfinis dans le logiciel Tosca Analysis. Dans le cas illustré, une mesure par lots avec un balayage en mode de taraudage de 500 x 500 nm à 9 emplacements différents a été définie pour collecter des données pour évaluer la distribution de la rugosité de surface d'une tranche de 150 mm. 

Après avoir démarré la mesure par lots, le Tosca navigue automatiquement vers chaque point, établit le contact avec la surface (engagement), effectue le balayage défini et stocke les données acquises. 

Traitement des données par lots par les modèles d'analyse du Tosca

La sortie d'une mesure par lots est généralement un ou deux ensembles de données AFM pour chaque point de mesure. Dans un lot, tous les ensembles de données acquis seront très similaires, ce qui suggère d'utiliser la fonctionnalité des modèles d'analyse Tosca. 

Ici, le premier ensemble de données est évalué manuellement, en effectuant toutes les étapes de post-traitement nécessaires, l'analyse d'intérêt et l'affichage souhaité des résultats obtenus. Ce premier fichier d'analyse peut ensuite être utilisé comme modèle d'analyse Tosca pour tous les autres ensembles de données du lot pour effectuer automatiquement les étapes d'analyse identiques en quelques clics. Ceci est bien sûr possible non seulement pour les ensembles de données du même lot, mais également pour tous les ensembles de données suivants qui ont été mesurés avec le même modèle de lot. 

2. Résultats

L'échantillon de wafer a été mesuré par mesure de lots automatisée sur 9 positions différentes. Les ensembles de données acquis ont ensuite été analysés par rapport à la rugosité de surface RMS, exprimée en picomètres (pm). La rugosité de surface est comprise entre 213 et 237 pm, ce qui donne une valeur moyenne statistique de 228 pm. 

Conclusion

Le microscope à force atomique Tosca 400 a été utilisé pour analyser la distribution de la rugosité de surface d'un wafer métallisé. La platine à wafers pour Tosca 400 permet une manipulation et un positionnement simples et sûrs des échantillons. En combinaison avec le logiciel Tosca Control, il offre une navigation par coordonnées de wafer pour localiser et déplacer des points d'intérêts spécifiques. Une fonctionnalité de mesure par lots effectue automatiquement une séquence prédéfinie de mesure. Les paramètres de lot peuvent être exportés et enregistrés ou réimportés pour répéter le même lot pour des tâches similaires à l'avenir. Le progiciel d'analyse Tosca peut être utilisé pour évaluer un grand nombre d'ensembles de données similaires en utilisant des modèles d'analyse Tosca.