Wissenschaftspreis f. Industrieforschung Neue Messmethode für die Wafer-Inspektion

Jochen Kortmann (l.), Kurator der Stiftung Industrieforschung, überreicht Dr. Alexander Tobisch (r.) den ersten Preis der Stiftung Industrieforschung 2018
Jochen Kortmann (l.), Kurator der Stiftung Industrieforschung, überreicht Dr. Alexander Tobisch (r.) den ersten Preis der Stiftung Industrieforschung 2018

Wissenschaftler am Fraunhofer IISB haben ein neuartiges optisches Messverfahren entwickelt, das kleinste Unebenheiten auf spiegelnden Oberflächen erkennt – beispielsweise auf Silizium-Wafern. Mit dieser Methode ließe sich die Ausbeute bei der Herstellung von Mikrochips deutlich erhöhen.

Die Strukturen von ICs sind mittlerweile so winzig, dass Wafer 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. Die dafür verfügbaren Messgeräte sind jedoch störanfällig – beispielsweise gegenüber geringsten Erschütterungen –, aufwändig, teuer und relativ schwer in die Fertigungsprozesse integrierbar.

Dr. Alexander Tobisch vom Fraunhofer-Institut für integrierte Systeme und Bauelementtechnologie IISB hat in seiner Dissertation nun ein neuartiges, gegenüber äußeren Einflüssen robustes und noch dazu preisgünstigeres Messverfahren entwickelt. Die Herausforderung bestand dabei 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 gerichteter Beleuchtung visualisieren. Bei der Deflektometrie hingegen 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. 

Neues Messverfahren: Telezentrische Deflektometrie

Dr. 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 lassen sich die Neigungen der Oberfläche aus der Verzerrung des an der Oberfläche reflektierten Musters berechnen.