Oberflächenmesstechnik Das Unsichtbare messen - Quality Engineering

Oberflächenmesstechnik

Das Unsichtbare messen

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Jochen Kortmann, Kurator der Stiftung Industrieforschung (links) überreicht Dr. Alexander Tobisch den Preis der Stiftung Industrieforschung 2018 Bild: Johannes Hempel / Stiftung Industrieforschung
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Der Wissenschaftspreis der Stiftung Industrieforschung geht an ein optisches Messverfahren, das kleinste Unebenheiten auf spiegelnden Oberflächen erkennt.

Ausgezeichnet wurde die Dissertation „Telezentrische Deflektometrie zur Nanotopographiemessung von Halbleiterscheiben“ von Dr. Alexander Tobisch, Wissenschaftler des Fraunhofer IISB in Erlangen. Die Technologie ermöglicht eine einfache und umfassende Qualitätskontrolle in der Halbleiterindustrie und kann helfen, die Ausbeute bei der Herstellung von Mikrochips zu erhöhen.

Tobisch stand in seiner Promotion vor der Herausforderung, kleinste Unebenheiten auf Halbleiterscheiben, so genannten Silizium-Wafern, zu vermessen. Silizium-Wafer sind das Grundmaterial, auf dem Mikrochips gefertigt werden. Inzwischen sind die Strukturen der integrierten Schaltkreise so winzig, dass die Halbleiterscheiben perfekt eben sein müssen. Bereits kleinste Unebenheiten im Bereich weniger hundert Atomlagen reduzieren später die Ausbeute an funktionierenden Mikrochips deutlich.

Bislang werden diese Unebenheiten mittels optischer Interferometrie erfasst. Leider sind die dafür verfügbaren Messgeräte störanfällig, etwa gegenüber geringsten Erschütterungen, aufwändig, teuer und relativ schwer in die Fertigungsprozesse integrierbar. Zielsetzung der Promotion von Tobisch war daher die Entwicklung eines neuartigen, gegenüber äußeren Einflüssen robusten und preis- günstigeren Messverfahrens.

Die Herausforderung bestand hierbei nicht nur in der extrem hohen Messgenauigkeit, sondern auch in der spiegelnden Oberfläche der polierten Halbleiterscheiben. Viele bekannte 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.

Für die Erfassung spiegelnder Oberflächen sind zwei Messprinzipien verbreitet: Die Makyoh-Methode und die Deflektometrie. Mit der Makyoh-Methode lassen sich Unebenheiten mit Hilfe von gerichteter Beleuchtung visualisieren. Bei der Deflektometrie wird ein Streifenmuster analysiert, das sich an der zu untersuchenden Oberfläche spiegelt. Leider kann keines der beiden Verfahren die hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit und an die Zuverlässigkeit alleine erfüllen.

Das Beste aus zwei Verfahren

Tobisch hat deshalb die wesentlichen Elemente beider Prinzipien in einem neuen Messverfahren kombiniert. Die „telezentrische Deflektometrie“ nutzt ein Beleuchtungsmuster, das auf die Halbleiterscheibe projiziert wird. Die Verzerrung des gespiegelten Musters ist dabei abhängig von der Form der Oberfläche, die sich anschließend aus dem Spiegelbild berechnen lässt. Dies ist vergleichbar mit dem Blick in einen gebogenen Spiegel, der das eigene Spiegelbild verzerrt.

Im Unterschied zur herkömmlichen Deflektometrie kommt ein spezielles telezentrisches Abbildungssystem zum Einsatz, das insbesondere die gerichtete Projektion eines optischen Musters auf die zu untersuchende Oberfläche ermöglicht. Gemäß des deflektometrischen Messprinzips können die Neigungen der Oberfläche aus der Verzerrung des an der Oberfläche reflektierten Musters berechnet werden. Gegenüber herkömmlichen Deflektometern ergeben sich wesentliche Vorteile: Ein erheblich geringerer Kalibrieraufwand und geringere systematische Messabweichungen erlauben das Erreichen der hohen geforderten Messgenauigkeit.

Erfasst Oberflächen unterschiedlichster Beschaffenheit

Da es sich um ein neigungsmessendes Verfahren handelt, ist es zudem von Natur aus robust gegenüber externen Störungen. Ein besonderer Vorteil für die Halbleiterindustrie ist außerdem die Möglichkeit, auch große Siliziumwafer mit einer einzigen Aufnahme vollflächig zu vermessen. Das Verfahren erlaubt zudem die Erfassung von Oberflächen unterschiedlichster Beschaffenheit, wie beispielsweise poliert, geschliffen oder strukturiert. So kann bei der Herstellung von Siliziumscheiben bereits in einem frühen Stadium des Produktionsprozesses eine Qualitätskontrolle erfolgen und nicht erst – wie bisher üblich – als Endkontrolle nach dem Polieren.

Die Entwicklung der theoretischen Grundlagen sowie die Demonstration der technischen Machbarkeit anhand zweier Prototypen führte Tobisch im Rahmen europäischer Verbundprojekte mit Partnern aus der Halbleiterfertigungs- und Zulie-ferindustrie durch. Zudem kooperiert das Fraunhofer IISB mit einem etablierten Hersteller, der ein marktfähiges Messgerät entwickelt.

Anwendungen auch außerhalb der Halbleiterindustrie

Auch außerhalb der Halbleiterfertigung eröffnet die neue Messtechnik in vielen Anwendungsbereichen eine verhältnismäßig kostengünstige und vergleichsweise einfache Erfassung von Unebenheiten im Bereich weniger Nanometer. Hervorzuheben wären die hochgenaue und großflächige Messung spiegelnder oder hochreflektiver Oberflächen in der Optikindustrie sowie die Riss- und Defekterkennung beim Polieren, Lackieren und Beschichten. ■

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