Kontrola jakości w procesie produkcji półprzewodników
Wprowadzenie
Poniżej omawiamy kilka technik bez których nie byłby możliwy tak dynamiczny rozwój przyrządów półprzewodnikowych. Jest to zestawienie treści opublikowanych w ramach kontynuacji cyklu “To jak wyprodukować ten półprzewodnik?” | Kontrola jakości.
Elipsometria
Ta bezkontaktowa i nieinwazyjna technika pozwala na szybkie i precyzyjne wyznaczenie grubości i właściwości optycznych cienkich warstw, od pojedynczych warstw po skomplikowane układy wielowarstwowe. Oprócz wymienionych, głównych zastosowań, elipsometria daje znacznie więcej możliwości, począwszy od oznaczenia składu materiału, przez pomiary przewodności elektrycznej i szerokości przerwy energetycznej, a skończywszy na chropowatości powierzchni i międzywarstw.
Co zaś tyczy się kontroli jakości naszych przyrządów półprzewodnikowych, elipsometria wykorzystywana może być między innymi do pomiarów pojedynczych warstw pasywacyjnych, tlenków lub azotków krzemu w różnego typu detektorach, układów warstw w przyrządach MEMS (ang. Micro-Electro-Mechanical Systems) i MOEMS (ang. Micro-Opto-Electro-Mechanical Systems) oraz układach scalonych MMIC (ang. Monolithic Microwave Integrated Circuits).
Przykładem rozwiązania dla przemysłu półprzewodnikowego jest elipsometr SENDURO MEMS, naszego partnera, firmy SENTECH Instruments GmbH. Pomiar w tym przypadku odbywa się w sposób automatyczny, najczęściej w systemie kasetowym (do 25 podłoży!), wafel po waflu, według narzuconego odgórnie zbioru punktów pomiarowych na każdym z podłoży.
Dyfraktometria HRXRD
Obok elipsometrii, technikami o kluczowym znaczeniu w kontroli jakości przyrządów półprzewodnikowych są techniki rentgenowskie, między innymi:
🔹wysokorozdzielcze XRD (HRXRD) dla półprzewodników złożonych i półprzewodnikowych układów front-end
🔹wąskokątowe rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego XCD (CD-SAXS) do profilowania otworów w pamięciach, tj. wyznaczenia ich wymiarów krytycznych
🔹mikroanaliza rentgenowska µXRF do badania grubości i składu warstw na etapie produkcji front-end oraz składu lutów w zaawansowanym pakowaniu półprzewodników
🔹obrazowanie XRD (XRDI) do badania defektów w sieci krystalicznej i pęknięć w podłożach.
HRXRD służy do badania grubości i defektów warstw oraz stopnia relaksacji naprężeń w materiale, ale ponadto pozwala na określenie zróżnicowania struktury warstwy pod względem składu fazowego (jakościowo i ilościowo) oraz położenia warstw względem siebie. Dane te mogą być z łatwością wyekstrahowane w pomiarach odbić symetrycznych i asymetrycznych.
Jedną z aplikacji tej techniki jest badanie struktur azotkowych typu InGaN/GaN, które stanowią komponent między innymi w produkcji diod LED lub przyrządów dużej mocy. Badania wykazały, że technika HRXRD pozwala wyznaczyć grubość supersieci jak i zawartość indu w warstwie InGaN, a tym samym staje się pomocna w monitorowaniu i optymalizacji procesów wytwarzania warstw.
W badaniach struktur półprzewodnikowych, w tym warstw epitaksjalnych, bardzo duże znaczenie ma wysoka rozdzielczość dyfrakcji. Jej osiągnięcie nie byłoby możliwe bez kompaktowej optyki, w której skład wchodzą lustro Goebla, zmotoryzowane szczeliny i dwuodbiciowy monochromator germanowy. Istotna jest również modułowość wspomnianej optyki, jaka przekłada się na elastyczność i łatwość dostosowania konstrukcji dyfraktometru (kilka geometrii/przebiegów promieniowania do wyboru) do wielu różnych badań z poziomu oprogramowania.
Kompaktowa i modułowa optyka to raz, dwa to wysokoczułe detektory. Jedynie dzięki połączeniu tych rozwiązań technicznych możliwa stała się w zasadzie bezproblemowa kontrola jakości różnego typu struktur, szczególnie na początkowych etapach produkcji przyrządów półprzewodnikowych.
Mikroskopia sił atomowych AFM
Przyszedł czas na temat, który wiele osób kojarzy z nanoskalą – mikroskopię sił atomowych, czyli AFM.
W AFM używamy ultra-czułej igły, wytworzonej na drodze zaawansowanych procesów nanofabrykacji. Ostrze igły skanujące powierzchnię próbki posiada promień zaokrąglenia zaledwie kilku nanometrów. Wynik?
Obrazy topografii powierzchni wykonane z rozdzielczością poniżej jednego Angstrema! To tak jakbyśmy dotykali pojedynczych atomów, bo właśnie w tę skalę wkraczamy.
W produkcji niektórych przyrządów półprzewodnikowych kluczowe są niemal atomowo gładkie powierzchnie. Przykładem może być tutaj szkło aluminosilikatowe wykorzystywane do wytwarzania między innymi układów scalonych, diod LED o wysokiej jasności oraz mikroekranów. Bez AFM zbadanie chropowatości na poziomie dziesiątych części nanometra byłoby niemożliwe.
AFM to jednak nie tylko topografia. To także detekcja i klasyfikacja defektów, precyzyjne pomiary wymiarów krytycznych i głębokości nanostruktur uzyskanych np. w procesie trawienia oraz chropowatości ich ścian bocznych – a to wszystko odbywa się w sposób nieniszczący.
Dzięki pełnej automatyzacji pomiarów oraz unikalnemu połączeniu precyzyjnych i nieniszczących pomiarów, AFM dostarcza szybkich informacji na wszystkich etapach życia produktu – od R&D po kontrolę jakości gotowego przyrządu półprzewodnikowego. Stanowi tym samym niezbędne narzędzie w projektowaniu wydajniejszych i jeszcze bardziej zaawansowanych urządzeń półprzewodnikowych.
FIB-SEM
Ga+ FIB-SEM, technika opracowana około 30 lat temu, łączy w sobie zalety obrazowania SEM z możliwościami jakie daje skupiona wiązka jonów galu w kolumnie jonowej. To narzędzie, które wspiera różnorodne zastosowania, takie jak obrazowanie SEM, wykonywanie przekrojów poprzecznych, analiza defektów, przygotowanie próbek in-situ, rekonstrukcja 3D, a także kluczowe – przygotowanie lameli do obserwacji TEM.
W dziedzinie półprzewodników Ga+ FIB-SEM jest niezastąpiona, szczególnie we wspomnianej powyżej analizie defektów w nanoskali. W przypadku poszukiwania defektu o rozmiarze subnanometrycznym w konkretnym obszarze, potrzebujemy bowiem technologii, która umożliwi usuwanie cienkich warstw materiału, warstwa po warstwie, i równoczesne obrazowanie próbki aż do odnalezienia defektu.
Główne cechy Ga+ FIB-SEM, zapewniające precyzyjną analizę struktury i defektów na poziomie nanometrycznym, to:
🔹precyzyjna kontrola energii FIB: istotna w przypadku nowoczesnych, złożonych struktur półprzewodników, gdzie kontrola głębokości wnikania i ilości usuniętego materiału jest krytyczna. Ga+ FIB-SEM pozwala na regulację energii wiązki dostosowując ją do wymagań konkretnej aplikacji
🔹wysoka rozdzielczość SEM: w miarę zmniejszania się rozmiarów elementów półprzewodnikowych, kluczowa staje się rozdzielczość SEM na poziomie 1 nm lub mniej dla skutecznej ich analizy
🔹precyzyjna nawigacja i end-pointing: wraz z rozwojem zaawansowanych technologii, dokładne nawigowanie do obszaru zainteresowania (ang. ROI) oraz zakończenie procesu usuwania materiału w odpowiednim momencie (ang. end-pointing) są kluczowe dla uchwycenia właśnie tych cech, które mają zostać poddane analizie
🔹stabilność rozmiaru wiązki FIB: stabilny rozmiar i powtarzalność wiązki FIB mają również fundamentalny wpływ na rozdzielczość, precyzję i dokładność procesu FIB.
Obecnie, w dynamicznie rozwijającej się branży półprzewodnikowej, mamy do czynienia z szerokim spektrum kompozycji i architektur. Dlatego od urządzeń FIB-SEM wymaga się dużej elastyczności w kwestii ustawienia parametrów procesu. Daje to bowiem możliwość analizowania zarówno nieco starszych półprzewodnikowych układów logicznych czy też elementów mocy, w których badane elementy mają wielkość setek nanometrów, jak i zaawansowanych układów logicznych, gdzie nierzadko wskazane jest wytworzenie próbek o grubości 10 nm i mniej.
