Optische Messtechnik für die Waferinspektion Neuer Messansatz sichert die Schichtqualität von 300-mm-Wafern

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Diamantbeschichtungen sind Grundlage für die Leistungselektronik und Sensorik. Um die Qualität auf großflächigen Substraten wie 300-mm-Wafern zu sichern, hat das Fraunhofer IST ein neues Auswerteverfahren entwickelt. Es kombiniert zwei optische Messmethoden und senkt dabei die Inspektionszeit.

Die Homogenität polykristalliner Diamantschichten ist ein zentraler Qualitätsfaktor für die Lebensdauer und Funktionalität von Sensor- und Halbleiterbauelementen. Besonders bei großformatigen Substraten, wie Siliziumwafern mit Durchmessern von bis zu 300 mm, stoßen konventionelle Messmethoden an ihre Grenzen. Materialinhomogenitäten, Oberflächenrauheiten und komplexe Schichtaufbauten erschweren eine zuverlässige Analyse, was die Prozesskontrolle in der Fertigung aufwändig und zeitintensiv macht.

Kombination aus Photometrie und Ellipsometrie

Um dieses Problem zu lösen, setzen Forscher am Fraunhofer-Institut für Schicht- und Oberflächentechnik (IST) auf einen ganzheitlichen Ansatz, der zwei Verfahren kombiniert:

• Spektrale Photometrie: Sie untersucht, wie stark die Wafer-Oberfläche Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen reflektiert oder durchlässt.

• Winkelabhängige Ellipsometrie: Sie erfasst, wie sich der Zustand polarisierten Lichts nach der Reflexion bei verschiedenen Einfallswinkeln verändert.

Beide Messverfahren basieren auf unterschiedlichen Prinzipien und reagieren verschieden empfindlich auf Schichtparameter wie Brechungszahl, Extinktionskoeffizient und Schichtdicke. Anstatt die Daten jedoch einzeln auszuwerten, analysiert das Fraunhofer IST die Messungen simultan in einem globalen Modellierungsverfahren.

Basis dafür ist ein speziell entwickeltes Mehrschichtmodell, das die polykristalline Diamantschicht inklusive ihrer Rauheit realitätsnah abbildet. „Durch die gleichzeitige Auswertung aller Messinformationen erreichen wir eine deutlich höhere Genauigkeit als mit klassischen Einzelmessungen und können die optische Dispersion und weitere relevante Parameter präzise bestimmen“, erläutert Dr. Volker Sittinger, Abteilungsleiter für Diamantbasierte Systeme am Fraunhofer IST.

Erst fitten, dann schnell mappen

Der prozesstechnische Vorteil für die Fertigung liegt in der Zweistufigkeit des Verfahrens: Hat die Software die Dispersion und alle optischen Basisdaten einmal zuverlässig berechnet, ist der rechenintensivste Teil der Analyse erledigt. Die Parameter müssen nicht mehr an jedem Punkt des Wafers komplett neu ermittelt werden.

Für die vollflächige Qualitätskontrolle reicht im Anschluss eine einfache und schnelle Reflexionsmessung an vielen Messpunkten der Oberfläche (Reflexions-Mapping). Daraus lässt sich direkt die Schichtdicke und die Uniformität der Beschichtung ableiten.

Vorteile für die Halbleiter- und Sensorfertigung

Am Beispiel diamantbeschichteter 300-mm-Siliziumwafer konnten die Forscher zeigen, dass sich durch das Verfahren die Prozessführung verbessern und Schwankungen in der Schichtdicke deutlich reduzieren lassen. Für die Industrie ergeben sich daraus konkrete Vorteile:

• Verkürzte Messzeiten: Das schnelle Mapping-Verfahren ist automatisierbar und inline-tauglich.

• Höhere Ausbeute (Yield): Verbesserte Prozesskontrolle reduziert den Ausschuss.

• Großflächige Kontrolle: Die Schichthomogenität lässt sich über große Wafer-Flächen gezielt bewerten und optimieren.

(heh)

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