Wafers aftasten met tientallen trillende naaldjes
Atomic force-microscopie, waarbij een nanonaaldje op een trillende cantilever het oppervlak van een monster aftast, is een veelbelovende manier om wafers en maskers van toekomstige chipgeneraties te inspecteren, ware het niet dat de methode nogal traag is. TNO werkt aan een concept met tientallen parallelle AFM’s om de snelheid op te schroeven. Maar daarvoor moest het ontwerp op de schop.
De metrologiesystemen voor wafers en maskers krijgen het met het kleiner en complexer worden van chipstructuren steeds zwaarder voor hun kiezen. Naast het meten van objecten wordt het detecteren en karakteriseren van nanometergrote afwijkingen steeds belangrijker. Scanning probe-microscopie (SPM), waarbij een microscopische tip op een cantilever het oppervlak aftast, is vanwege zijn hoge resolutie een van de kanshebbende technologieën om hierin een rol te spelen. Maar ondanks de aanzienlijke snelheidstoename de afgelopen jaren is de verwerkingscapaciteit op dit moment lang niet voldoende voor metrologie en inspectie in hoogvolumeproductie. Ook wat betreft kosten kan SPM nog niet concurreren met andere inspectiesystemen. Om de verwerkingscapaciteit te vergroten, wordt wel gekeken naar Mems-systemen met een groot aantal parallelle SPM-probes in een raster. Er is echter nog een lange weg te gaan om bijvoorbeeld knelpunten rond overspraak, gegevensoverdracht en betrouwbaarheid op te lossen voordat zo’n systeem tijdens het fabricageproces gebruikt kan worden.
TNO werkt aan een alternatief concept voor het parallelliseren en versnellen van SPM: wel met individuele scankoppen, maar dan zo klein dat er tientallen tegelijk onafhankelijk van elkaar naar een plek op het monster gebracht kunnen worden. Een belangrijke observatie bij de ontwikkeling van dit systeem is dat het – althans nu nog – niet nodig is om een hele wafer te karakteriseren; de roadmap van de halfgeleiderindustrie vraagt er vandaag de dag om dat er zo’n vijftig defecten per wafer gekarakteriseerd kunnen worden. We kunnen er dus mee volstaan om eerst bijvoorbeeld optisch te bepalen waar zich ongeveer de defecten bevinden, en vervolgens alleen die delen op nanometerschaal te scannen. De scanner bestaat dus uit twee subsystemen: een ultrasnelle miniatuur-SPM en een snel positioneringssysteem om deze systemen naar de juiste plek op de wafer of het masker te brengen.
Los op de ondergrond
Van SPM bestaan grofweg twee smaken, die beide de buiging van de cantilever met optische technieken meten. Scanning tunneling-microscopie (STM) gebruikt een extreem scherpe tip en een elektrisch stroompje om tunneling te meten, een kwantumverschijnsel. Deze technologie kan individuele atomen ‘bekijken’, maar is erg traag. De tweede variant, atomic-force-microscopie (AFM), heeft een iets lagere resolutie, maar is een stuk sneller dan STM. Hier wordt de cantilever met een piëzo-element in trilling gebracht zodat de tip razendsnel tegen het materiaal aantikt – typisch met megahertzfrequentie. Atomaire interacties tussen het naaldje en het oppervlak, zoals vanderwaalskrachten en elektrostatische interacties, beïnvloeden de dynamiek van de trillende cantilever.
Vanwege het snelheidsvoordeel is ons metrologiesysteem een AFM-systeem. Normaal worden dit soort installaties vooral in researchomgevingen gebruikt en zijn ze vrij fors uitgevoerd. In ons metrologiesysteem moet elk van de tientallen onafhankelijke koppen echter een complete op zichzelf staande AFM zijn. We moesten dus een flinke miniaturisatieslag maken.
Om dat mogelijk te maken, draaien we het hele scanprincipe om: we bewegen de tip niet heen en weer over de wafer, maar de wafer over de tip. Daarvoor gebruiken we een xy-waferstage met een gebruikelijk ontwerp. De scankop hoeft daardoor alleen verticaal te kunnen bewegen en niet horizontaal. We draaien het systeem trouwens ook letterlijk om: de scankoppen staan tijdens de meting los op de ondergrond, en de wafer of het masker hangt erboven. Daardoor kunnen de koppen eenvoudig individueel op de ondergrond worden neergezet zonder klemmechanisme. Bijkomend voordeel is dat deeltjes uit de omgeving nu niet meer op de wafer vallen.
Ingredients enabling carbon neutrality of warehouse systems
5 oktober 2023 vindt de INCOSE-NL workshop 2023 plaats, met spreker Daan Meijsen van Vanderlande. Tijdens de workshop krijg je inzicht in de verschillende cross-cutting duurzaamheidsperspectieven voor hightech systemen. Bekijk het volledige programma online en registreer nu!
Door verder slim te engineeren, is het gelukt om de scankop te verkleinen tot een zelfstandige structuur van zeventig bij negentien bij vijfenveertig millimeter. Vooral de miniaturisatie van de optica was een grote uitdaging. De uitwijking van de probe wordt gemeten door een lichtbundel op de cantilever te laten vallen en de positie van de weerkaatste bundel te meten. Dit principe gebruiken we nog steeds, maar in een sterk verkleinde uitvoering.
Uit elkaar
De scankoppen worden via mechanische armen naar de juiste plek op de wafer gebracht. Deze armen zijn gemonteerd op een stage met een slag van ongeveer 350 millimeter voor de x-richting. Voor de y-richting beschikt elke arm over een klein motortje waarmee hij 19 millimeter zijwaarts kan bewegen. Door de armen aan twee kanten van het monster te plaatsen, is dus een wafer van 450 mm af te dekken.
Nadat de scankop op de juiste positie is gebracht, moet de probe naar de wafer worden toegebracht. In een AFM is dat een proces in twee stappen. Een grove, min of meer handmatig bediende stage brengt de scankop dicht bij het oppervlak. Daarna neemt de xyz-piëzoscanner waarop de cantilever is gemonteerd het over.
In ons systeem gebruiken we ook twee stappen, maar op een andere manier en geautomatiseerd. Voor de grove afstemming duwt een piëzostepper het onderste en bovenste deel van de scankop uit elkaar, met stapjes van ongeveer een micrometer. Voor de fijne z-richting gebruiken we een klein piëzoaangedreven scankopje, dat sneller werkt dan een standaard AFM en alleen in de z-richting scant. Dit systeempje is mechanisch gebalanceerd en op een zodanige manier aan de scankop vastgemaakt dat het geen trillingen doorgeeft.
Hierbij ontstaat echter een probleem. Om te voorkomen dat de cantilever tegen de wafer aanbotst, moet de piëzostage na elk stapje van de grove stage een scan over zijn bereik uitvoeren om te kijken of de wafer al is bereikt. Dit kost te veel tijd voor een industriële toepassing.
Dit lossen we op door de cantilever tijdens het naderingsproces continu te laten trillen om te detecteren wanneer we in de buurt van de wafer komen – de amplitude neemt dan ineens fors af. Pas als we in de buurt van de wafer zijn, stappen we over op de langzame en meer nauwkeurige methode. Zo is het mogelijk om de AFM binnen enkele seconden naar het monster toe te brengen.
Op dit moment zijn we bezig met een demonstratiemodel van het systeem met vier armen, dat zelfstandig 450 mm wafers kan afhandelen. Daarmee willen we laten zien dat de aanpak realiseerbaar is en ruimschoots kan voldoen aan de eisen die de halfgeleiderindustrie in de nabije toekomst zal stellen aan metrologie, inspectie en procesbesturing.
Hamed Sadeghian is senior scientist en systeemarchitect bij het departement Optomechatronica van de TU Delft, de universiteit waar hij in 2010 cum laude promoveerde. Daarnaast werkt hij in deeltijd bij het departement Precision and Microsystems Engineering. Teun van den Dool is al vijftien jaar systeemengineer bij TNO gespecialiseerd in optomechatronische systemen voor de halfgeleiderindustrie, de ruimtevaart en de olie- en gaswinning.
