Nanometergenau und sekundenschnell

Roger Artigas, Terrassa Spanien; und Anja Schué, Leica Microsystems

In der berührungslosen Oberflächenmetrologie sind Interferometrie und optisches Profiling auf konfokaler Basis etablierte, aber meist konkurrierende Verfahren. Leica Microsystems und Sensofar haben nun ein Dual-Core 3D-Messmikroskop entwickelt, das Konfokal- und Interferometrieverfahren in einem System verbindet (Bild 1 und 2). Als kompakte und robuste Komplettlösung ermöglicht das DCM 3D effiziente, kontaktfreie Bewertungen der Mikro- und Nanogeometrien von Werkstoffoberflächen. Insbesondere bei der Qualitätssicherung von Solarzellen bietet dieses System eine sekundenschnelle 3D-Messung der Oberflächentextur und erspart zeitaufwendige REM-Analysen.

Das am häufigsten eingesetzte Grundmaterial für Solarzellen ist Silizium. Die Effizienz der Solarzelle ist abhängig von der Siliziumdotierung, der Leuchtdichte und dem genutzten Lichtwellenlängenbereich, der optischen Dicke und der Oberflächentextur. Aktuell liegt die Energieeffizienz einer Solarzelle bei etwa 20 %. Durch spezielle, sehr teure Oberflächenbehandlungen kann die Solarzelle mehr Licht einfangen und die Effizienz erhöht sich.

Um die Zelleffizienz zu steigern, wurden zahlreiche Verfahren geprüft; die effektivste Methode zur Erhöhung der Lichtabsorption stellt die Erhöhung der effektiven Dicke der Siliziumschicht dar. Diese Methode, die als Oberflächentexturierung bezeichnet wird, erfolgt beispielsweise bei monokristallinem Silizium durch einen anisotropen Nass-Ätzprozess auf der Grundlage einer Natriumhydroxid-Lösung. Das Ergebnis sind willkürlich gewachsene, quadratische Pyramiden mit gleichen Pyramidenwinkeln. Diese Oberflächentextur weist eine sehr effektive Lichtabsorption auf und fördert somit die interne Lichtreflexion. Im Vergleich dazu ist die Texturierung bei polykristallinem Silizium nicht ganz so effektiv, da ein Großteil der Körner eine nicht geeignete Ausrichtung aufweist. An den Körnergrenzen können sich so Sprünge herausbilden, die wiederum Schwierigkeiten beim nachfolgenden Bedrucken mit den Lötzonen und der Kontaktierstruktur verursachen. Bei der Qualitätskontrolle der Solarzellen am Ende der Fertigungskette wird die Effizienz jeder einzelnen Zelle geprüft.

Das optische Imaging-Profilometer DCM 3D mit Dual-Core-Technologie bietet hierbei die Möglichkeit, innerhalb weniger Sekunden die Texturierung, die Rauheit, die statistische Pyramidencharakterisierung und die Metallkontakte einer Silizium-Oberfläche zu prüfen. Im Gegensatz zum zeitaufwendigen Einsatz eines Rasterelektronenmikroskops wird der Wafer einfach unter das DCM 3D gelegt und innerhalb von weniger als 10 s eine 3D-Messung vorgenommen. Die starke lokale Neigung der Pyramidenflächen erfordert die Verwendung von Objektiven mit hoher numerischer Apertur, die wiederum nur in der Konfokaltechnologie verfügbar sind.

Bild 4 zeigt eine 3D-Messung eines monokristallinen Siliziumwafers nach dem Pyramiden-Ätzen. Für eine derartige 3D-Messung wurde ein 150x Objektiv mit einer numerischen Apertur von 0,95 verwendet. Dadurch reduzierte sich das Sichtfeld auf einige zehn Mikrometer, was etwa dem Sichtfeld eines REM entspricht. Die Oberfläche wird einige Mikrometer entlang der Fokusposition des Objektivs abgerastert; daraus ergeben sich schichtweise konfokale Bildstapel. Das Ergebnis ist ein hochaufgelöstes, REM-ähnliches Bild mit unbegrenztem Fokus und präzisen 3D-Informationen zur Höhe der Pyramiden.

Zur statistischen Charakterisierung der Pyramiden wird die so genannte Wasserscheiden-Segmentierung (Watershed Segmentation) verwendet (Bild 5). Über diesen Algorithmus wird jede einzelne Pyramide mit Hilfe der Höhenangabe in Segmente unterteilt und anschließend für jedes einzelne Segment die Fläche, das Volumen, die durchschnittliche und die maximale Höhe berechnet. In Bild 6 zeigt ein Profilschnitt die Charakterisierung einer einzelnen Pyramide mit Höhe, Grundfläche und Neigungswinkel der Seitenflächen.

Das Dual-Core 3D-Messmikroskop DCM 3D bietet eine Kombination von Konfokalmikroskopie und Interferometrie in einem einzigen Sensorkopf. Die Kerntechnologie basiert auf einem schnell reagierenden Mikrodisplay, das in der Leuchtfeldblende positioniert ist. Über das Mikrodisplay können Hellfeld-, Interferometrie- und Konfokalbilder erzeugt werden (Bild 7). Das Konzept ohne mechanisch bewegliche Komponenten, das konfokale Mikrodisplay (MD), zwei Lichtquellen und zwei Kameras sorgen für hochpräzise 3D-Messungen und unbegrenzte Schärfentiefe.

Die konfokale MD-Technologie misst glatte sowie raue Oberflächen, Höhenunterschiede von wenigen Nanometern bis zu mehreren Millimetern und Flanken bis zu 70 Grad. Im Gegensatz zu Laserscanning- oder Spinning-Disk-Systemen benötigt die MD-Konfokaltechnik keine mechanisch beweglichen Komponenten, was die Bildstabilität bei hohen Vergrößerungen und die Lichtausbeute erhöht sowie Zuverlässigkeit und Flexibilität verbessert. In Verbindung mit einer LED-basierten Lichtquelle verlängert die MD-Technologie die Lebenszeit des Geräts, reduziert die Wartungskosten und vermeidet Kosten für teure Ersatzteile. Oberflächenmessungen werden auf diese Weise in Sekundenschnelle ausgeführt. Das System ist dabei sehr leicht zu bedienen: Die Probe wird einfach unter das Mikroskop gelegt und scharf gestellt. Mit einem Tastendruck lässt sich so in wenigen Sekunden ein 3D-Bild der Oberfläche erzeugen.

Ein weiterer Vorteil des DCM 3D sind die beiden integrierten CCD-Kameras, eine Farbkamera für Hellfeld-Analysen sowie eine hochwertige monochromatische Kamera für die metrologische Detektion. Während der 3D-Messung werden gleichzeitig ein hochauflösendes und kontrastreiches Konfokalbild und ein unbegrenzt scharfes Farbbild erfasst. Die Software erlaubt eine 3D-Abbildung der Fläche in unterschiedlichen Farbmodi wie etwa Falschfarbendarstellung der Höheninformationen, Konfokal-Stapel, unbegrenzt scharfes Farbbild und hochauflösende Konfokalluminanz mit dem Chrominanz-Signal der Farbkamera.

Ein Hauptvorteil der Konfokaltechnik für die 3D-Profilometrie ist ihre Flexibilität, auch Mikroskopobjektive zu verwenden, die ursprünglich für die Hellfeldmikroskopie vorgesehen sind. Diese Objektive sind oft bereits verfügbar, beispielsweise Objektive mit einem großen Arbeitsabstand für Proben mit großen Höhenunterschieden oder für Probengeometrien, die mit herkömmlichen Objektiven kollidieren würden; solche mit verstellbarer Korrektur, die für eine Fokussierung durch Deckgläser konzipiert wurden sowie Objektive für die LCD-Untersuchung oder Wasserimmersionsobjektive. Dennoch ist die Höhenauflösung durch die numerische Apertur und damit die Schärfentiefe begrenzt. Schwach vergrößernde Objektive haben eine niedrigere numerische Apertur, konventionelle Konfokal-3D-Messungen neigen zu stärkerem Rauschen. Durch seine Kombination der Konfokal- und Interferometrietechnik deckt das DCM 3D aber den weitesten messbaren Oberflächenhöhenbereich ab.

Im Vergleich zur Konfokaltechnik hängt bei der Phasen-Shift-Interferometrie (PSI) und der Vertical-Shift-Interferometrie (VSI) die Höhenauflösung nicht von der numerischen Apertur des Objektivs ab, sondern von den Eigenschaften der Lichtquelle. Bei einer PSI-Höhenauflösung bis 0,1 nm ist die maximal messbare Höhe durch optische Gesetze auf 250 nm begrenzt. Durch die kombinierten Techniken des DCM 3D werden dennoch Messungen von 0,1 nm bis hin zu mehreren Millimetern möglich.

Für das DCM 3D kann die ganze Palette der Leica-Interferometrie-Objektive (5x, 10x, 20x und 50x) verwendet werden, sowohl für PSI also auch für VSI. Ein spezielles „Tip/Tilt“-System (Verkippung quer zur optischen Achse) ist in jedem Objektiv integriert. Dies ermöglicht ein wesentlich schnelleres und leichteres Ausrichten der Probenoberfläche auf die optische Achse und dient dem Erzielen von Interferenzstreifen mit optimalem Kontrast. Zusätzlich verfügt jedes Objektiv über ein Einstellrad mit vier Positionen, um die Lichtmenge zu variieren. Dadurch ist es möglich, Proben mit unterschiedlichster Reflektivität bei optimalem Kontrast zu analysieren und damit die Flexibilität des ganzen Systems zu erhöhen.

Das DCM 3D wird von der Software SensoScan gesteuert. Dies erlaubt die Durchführung diverser 2D/3D-Messungen. Zusätzlich ist das System kompatibel mit SensoMap, der 3D-Softwarelösung für die mikroskopische Oberflächenanalyse. Für automatische 2D-Analysen kann das DCM 3D auch mit den bekannten Bildanalysemodulen Leica Application Suite, Leica QWin und Leica Material Workstation ausgestattet werden.

Leica Microsystems GmbH, Wetzlar www.leica-microsystems.com www.leica-microsystems.com/ products/DCM3D