Autorenfortdruck aus der Zeitschrift

FeinwerktechnikMikrotechnikMesstechnik

Zeitschrift für Elektronik, Optik und Mikrosystemtechnik

104. Jahrgang 1996 Carl Hanser Verlag, München

F&M

mikroCHIP-FERTIGUNG elektronik

2 F&M 104 (1996)

Das Kernstück des Meßverfahrens ist einhochauflösendes Winkelmeßsystem, das nachdem Autokollimationsprinzip arbeitet. Dabeiwird eine Strichmarke über ein optisches Sys-tem ins „quasi“-Unendliche abgebildet und das„quasi“ -parallele Strahlenbündel über denMeß- /Basisspiegel (Bild 2) wieder in denElcomat zurückreflektiert. In der Brennebenewird das scharfe Bild der Strichmarke auf eineCCD-Zeilenkamera abgebildet und in geeigne-ter Weise ausgewertet. In [l, 2] sind Methodenbeschrieben, um die reguläre Ortsauflösung -gegeben durch den Pixelabstand der CCD-Zeile von 10 μm - mit Hilfe von optisch-elek-tronischen sowie mathematisch-elektronischenVerfahren um einen Faktor von größer 200 zusteigern. Dies bedeutet auch gegenüber her-kömmlichen, visuellen Autokollimationsfern-rohren eine Steigerung der Auflösung vonetwa einer Winkelsekunde auf 0,005 Win-kelsekunden (entspricht 0,025 μm pro Meter).

Der Vorteil bei diesem Meßprinzip ist, daßdurch den „parallelen“ Strahlengang die Gerä-te- oder Systemgenauigkeit unabhängig vomAbstand Meßspiegel und Elcomat ist.

Die Gesamtlänge einer Meßbahn L kannbeim Elcomat bis zu 25 Metern betragen -dann jedoch mit eingeschränktem Meßbereich.

Bild T. Schematische Darstellung von Poliertel-ler und Trägerplatte bei einer Einseitenpolier-maschine. n1: Drehrichtung des Poliertellers;n2: Drehrichtung der Trägerplatte mit sechsaufgeklebten 8"-Wafern

Für eine effiziente Herstellung von integriertenSchaltkreisen für VLSI- und ULSI-Technolo-gie sind Dickenvariationen von kleiner l μmsowie Rauhigkeiten im Angström-Bereich beiSi-Wafern eine wichtige Voraussetzung. Dabeidefiniert der Polierprozeß als letzter Schritt derWaferherstellung die Geometrie und Morpho-logie der Oberfläche. Stand der Technik zurHerstellung sehr ebener und glatter Si-Oberflä-chen ist ein chemomechanischer Polierprozeß,der einen mechanischen Abtrag auf einemrotierenden Poliertuch mit der chemischenAktivität eines alkalischen Poliermittels ver-bindet (Bild 1).

Dabei sind die nur wenige Zehntel Milli-meter dicken Wafer - im vorliegenden Fall 8"-Scheiben - auf einer speziellen Trägerplatteaus Keramik aufgekittet, die ihre Geometrieunter anderem quasi l:l auf den zu bearbeiten-den Wafer überträgt. Um alle Prozeßparameterzu kennen und Abweichungen analysieren zukönnen, ist es deshalb erforderlich, den Polier-teller und alle im Einsatz befindlichen Träger-platten zu vermessen und jeweils eine für denPolierprozeß geeignete Oberfläche einzustel-len.

Zur Geradheits- und Ebenheitsmessungeignet sich besonders ein optischmechanischesMeßverfahren. Dieses ermöglicht es generell,großflächige Maschinenteile mit Abmessun-gen von etwa 0,5 m bis über 20 m mit hoherAuflösung und Reproduzierbarkeit (±0,25μm/m bis ± 0,025 μm/m) zu vermessen.

Eine Herausforderung ist hierbei, die vor-liegenden Polier-Trägerplatten mit einemDurchmesser von 640 mm in kurzer Zeit undin geeigneter Weise zu prüfen, um Klarheitüber die Zusammenhänge mit der Waferquali-tät zu bekommen. Gesucht war ein einfachesund für die Praxis an der Maschine geeignetesVerfahren, welches bei erforderlicher Genau-igkeit eine rasche Meßwerterfassung, eineübersichtliche grafische Auswertung derErgebnisse und eine Analyse der Bearbei-tungsparameter erlaubt.

Gesteigerte Auflösung durchSub-Pixelverfahren

Voranalysen und -untersuchungen habengezeigt, daß der elektronische Autokollimator>Elcomat 1< von Möller-Wedel - im weiterenals Elcomat bezeichnet - in Verbindung miteinem Meßspiegel (Bild 2) diese Meßaufgabebei niedrigen Investitionskosten und geringemPersonaleinsatz lösen kann.

Die Halbleiterindustrie benötigtSiliziumwafer mit sehr hohen

Anforderungen an Ebenheit undGleichförmigkeit der Oberfläche.Um diese Parameter einzuhalten

und zu optimieren, ist es erfor-derlich, die Ebenheit der maß-

geblich bei der Bearbeitung ein-flußnehmenden Maschinenele-mente zu kennen. Die Vermes-

sung kann auf einfache und prä-zise Art mit einem elektronischenAutokollimator in Verbindung miteinem signalverarbeitenden por-

tablen PC erfolgen.

All on an even keel. Evennessmeasurement on polished

support plates in silicon waferproduction. The semiconductorindustry requires silicon wafers

complying with stringentevenness and surface uniform-

ity requirements. To permitthese parameters to be fulfilledand further optimized, reliable

Information regarding theevenness of machine elements

playing a crucial role in theproduction process is essential.

Simple, precise gauging ispossible using an electronic

autocollimator in conjunctionwith a signal-processing

portable PC.

Engelbert Hofbauer,München;

Klaus Röttger,Rudolf Kellner, Wasserburg

Kurzer Prozeß mitEbenheitEbenheitsmessung an Polier-Trägerplatten in derSilizium-Waferfertigung

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weichung eine rotationssymmetrische Eigen-schaft auf.

Bild 3a. 3D-Darstellung der Ebenheit einer Trä-gerplatte gemessen nach dem Union-Jack-Ver-fahren. Die maximale Abweichung von deridealen Ebene beträgt 1,9 μm

Bild 3b. Schema des Union-Jack-Verfahrens fürdie Ebenheitsmessung

Bild 4. Profilverlauf der Polierträgerplatteaus Bild 3a in einem Schnitt, inklusiveWiederholbarkeitsgrenzen

Die Unterschiede der Formabweichung inverschiedenen radialen Schnitten liegen beimaximal 0,4 μm. Verwindungen der Oberflä-che konnten nicht festgestellt werden.

Erreichbare Genauigkeit undReproduzierbarkeit

Um zu untersuchen, wie verläßlich dieseErgebnisse sind und welche Wiederholgenau-igkeit erreicht werden kann, wurden Mehr-fachmessungen an einer Trägerplatte durchge-führt und die empirische Wiederholstan-dardabweichung s ermittelt. Bild 4 zeigt dasErgebnis einer zehnfachen Wiederholmessungan der Trägerplatte aus Bild 3. Dabei ist dieKurve der Mittelwerte sowie die untere undobere Vertrauensgrenze (± 2s) erkennbar. Dieempirische Standardabweichung beträgt beider vorliegenden Meßreihe s = ± 0,15 μm. Esergibt sich damit eine maximale Streubreitebeziehungsweise Wiederholgenauigkeit von 2s= ± 0,3 μm bei einer Meßposition x = 400mm. Der Erwartungswert für die maximale

im

Krümmungsradius dabei so gewählt, daß Rau-higkeitseinflüsse der zu messenden Oberflächekeinen Einfluß haben und nur Formabwei-chungen bestimmt werden.

Ebenheitsmessung einerTrägerplatte

In Bild 3a ist das Ergebnis der Ebenheitsmes-sung einer Trägerplatte gezeigt. Dabei werdenacht einzelne Geradheitsmessungen mitjeweils 10 beziehungsweise 15 Meßwertennach dem sogenannten Union-Jack-Schemadurchgeführt (Bild 3b). Mit Hilfe mathemati-scher Verknüpfungen der Meßlinien l bis 6wird über die Software eine Referenzebeneermittelt und die Istabweichung dazu errechnet[4]. Der maximale von dieser Referenzebeneabweichende Meßwert ergibt die Ebenheitsab-weichung in Mikrometer. Bei der vorliegendenTrägerplatte ergibt sich eine Abweichung von1,9 μm im Bereich des vermessenen Quadratsmit einer Diagonalen von 640mm. Die in derGrafik zusätzlich angegebenen Werte der Mit-telpunktsabweichungen ML7 und ML8 sindein Maß für die zufällige Meßunsicherheit, diein unserem Fall demnach weniger als 0,1 μmbeträgt. Sie sollte in jedem Fall unter der erfor-derlichen Meßgenauigkeit liegen.

Die obige Ebenheitsabweichung zeigt außer-dem eine deutlich konvexe Form des Prü-flings; die Trägerplatte zeigt also ein >volles<Oberflächenprofil. Der Krümmungsradiusbeträgt im Mittel etwa 22,5 km.

Die Winkelmeßdaten des Elcomat werdenüber die RS232-Schnittstelle einem beliebigenComputer zugeführt. Die Meßsoftware >PC-Geradheit< oder >PC-Ebenheit< errechnetinnerhalb von Sekundenbruchteilen dieHöhenwerte, bestimmt die Geradheits- oderEbenheitsabweichung und erstellt die Grafik.

Die acht Geradheitsmessungen an sich(manuelle Verschiebung des Meßspiegels,Ausrichten von Meßspiegel und Führungs-lineal von jeder Meßlinie) bedeuten gegenüberder Datenaufnahme und -Verarbeitung im PCeinen vergleichsweise hohen Zeitaufwand von10 bis 20 Minuten. Deshalb ist das Ziel, dieAnzahl der Geradheitsmessungen möglichstauf die Hälfte oder noch mehr zu reduzieren.

Wie die Ergebnisse der Geradheits- undEbenheitsmessungen an mehreren Trägerplat-ten ergaben, weisen die Oberflächen der Prü-flinge in ihrer globalen und lokalen Formab-

Ein seitlicher Parallelversatz des Meßspie-gels hat keinen Einfluß auf das Meßergebnis,sofern noch genügend Lichtenergie in denElcomat zurückreflektiert wird und die Quali-tät des Spiegels in seiner Ebenheit ausreichendgut ist.

Neigungsmethode - die optischeAchse als Referenzgerade

Bei der sogenannten Neigungsmethode werdenGeradheitsabweichungen - in der Regel vonMaschinenteilen - indirekt über die Messungvon Neigungswinkeln bestimmt. Dabei wirdein Basisspiegel mit den Basispunkten A und Bund dem Basisabstand b schrittweise über diezu messende Oberfläche verschoben.

Für quantitative Aussagen beträgt die Ver-schiebung des Spiegels l den Basisabstand b (l= b). Die Neigungswinkel αi gegenüber derOrthogonalen zur optischen Achse (o.A.) wer-den gemessen und entsprechend Gleichung (1)die Höhenwerte hi ermittelt. Die Summationder einzelnen hi, ergeben dann die Meßwertefür y entlang der Meßachse x gegenüber derReferenzgeraden (optische Achse). Für eineeinzelne Geradheitsmessung, die sich nicht aufeine andere Geradheitsmessung bezieht, - wiebei Messung der Parallelität oder Rechtwin-kligkeit - wird anschließend eine Bezugs-gerade durch Anfangs- und Endpunkt gelegt,die Geradheitsabweichungen umrechnet undgrafisch darstellt [3].

hi = b ∙ tan α (1)

wobei für kleine Winkel α gilt:

hi = b ∙ α (2)

mit α in Bogenmaß.

Wird eine Basislänge b wie im vorliegendenFall mit 50 mm verwendet, so ergibt sich dieUmrechnung wie folgt:

hi = 0.25 ∙ α [μm] (3)

mit α in Winkelsekunden.Gegenüber rein optischen Meßverfahren, bei

denen eine optisch reflektierende Oberflächenotwendig ist, können mit dieser Methodeauch technische Oberflächen mit Rauhigkeits-werten (Ra) im μm-Bereich und weit größergemessen werden. Die Oberfläche der Basi-spunkte (A, B) ist in ihrer Beschaffenheit und

Bild 2. Schematische Darstellung der Geradheitsmessung für hohe Auflösung und große Meß-strecken nach der Neigungsmethode Quelle: Möller-Wedel

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Die Autoren dieses Beitrags

Dipl.-Ing. (FH) Engelbert Hofbauer, Jahrgang1961, studierte Feinwerktechnik an der FHMünchen, von 1985 bis 1990 war er als Ent-wicklungsingenieur im Optik-Labor der Opti-schen Werke G. Rodenstock im Bereich opti-sche Meß- und Justagetechnologie sowieScanner- und Laserdiodenoptik tätig. Ab 1990arbeitete er als Freier Mitarbeiter bei verschie-denen Firmen im Bereich Lasermeßtechnikund optische Meß- und Prüftechnik. Seit 1994leitet er ein Vertriebs- und Ingenieurbüro mitGebietsvertretung der Firma Möller-Wedel,Wedel bei Hamburg, und einem angeglieder-ten Meß- und Prüflabor für die Vermessungund Kalibrierung von optischen Bauteilen,Winkel sowie Geradheit, Ebenheit und Dreh-position im Maschinenbau. Er ist Lehrbeauf-tragter an der FH München und gibt Schulun-gen und Workshops.

Dr. Klaus Röttger, Jahrgang 1964, studiertePhysik an der Universität Tübingen. Währendder Diplomarbeit an der Universität Marseillebeschäftigte er sich mit nichtlinearer Optik inDünnschichtwellenleitern. Von 1990 bis 1994promovierte er am Kristalle-graphischen Insti-tut der Universität Tübingen und entwickelteunter anderem ein neuartiges Guinierdiffrakto-meter zur Untersuchung von Kristallstruk-turen. Seit 1994 arbeitet er in der Prozeßent-wicklung Polieren bei der Firma Wacker Sil-tronic AG in Wasserburg. Hauptaufgabe ist dieEntwicklung neuer Herstellungsverfahren fürextrem reine und planare Wafer, die die Anfor-derungen der Submikron-Technologie erfüllen.

Rudolf Kellner, Jahrgang 1968, studierte ander FH Landshut den Studiengang Maschinen-bau. Derzeit schreibt er bei der Firma WackerSiltronic AG seine Diplomarbeit mit demThema Entwicklung eines Meßverfahrens mit-tels Autokollimator für rotationssymmetrischeFlächen

Literatur

1 Duis Wilhelm: >Höchstpräzise Winkelmes-sung mit Hilfe der Autokollimation<, Jahr-buch für Optik und Feinmechanik, 1990

2 Ulbrich G.-J., Duis, W, Trede J.: >Die Win-kelmeßgenauigkeit steigern<, Industrie-Anzeiger 75/1989

3 GFM Gesellschaft für Meßtechnik GmbH,Bedienungsanleitung Geradheit PC GER,Version 3/11-92

4 GFM Gesellschaft für Meßtechnik GmbH,Bedienungsanleitung Ebenheit PC EBE,Version 2/10-92

5 Dr.-Ing. J. Kanta: >Einsatzmöglichkeitenvon Richtungs- und Fluchtungsprüfgerätenfür die Formprüfung<, Feingerätetechnik 19.Jg. Heft 12/1970

6 Prof. Dr.-Ing. habil W. Lotze: Bemerkungzum Aufsatz Kanta: >Einsatzmöglichkeitenvon Richtungs- und Fluchtungsprüfgerätenfür die Formprüfung<, Feingerätetechnik 20.Jg. Heft 4/1971

Keiligkeit der Si-Wafer in radialer Richtunghat. Demnach wird bei einer konvexen Ober-fläche der Trägerplatte die dem Plattenzentrumzugewandte Seite des Si-Wafers im Polierpro-zeß stärker abgetragen als die außenliegendeSeite, während es sich bei einer konkaven Trä-ger platte umgekehrt verhält.

Die Keiligkeit der Scheiben berechnet sichdann als Waferdicke an der Stelle des Träger-plattenrandes minus der Waferdicke auf derdem Trägerplattenzentrum zugewandten Seite(M in Bild 1). Eine Korrelation der Trägerplat-tenoberfläche mit der Keiligkeit der Si-Waferbestätigt diesen Einfluß (Bild 6). Während diekonvexe Trägerplatte l eine deutlich positiveKeiligkeit der Si-Wafer zeigt, sind die auf derkonkaven Trägerplatte 2 polierten Si-Wafer imMittel negativ keilig. Die Trägerplatte 3 miteinem welligen Profil zeigt einen dazwischen-liegenden Keiligkeitswert. Die Absolutwerteder Keiligkeit sind hierbei noch durch Ein-flüsse von Kinematik und Druck beeinflußt.

Fazit

Die Meßanordnung mit Elcomat l und Meß-spiegel erlaubt unter den vorgegebenen Wie-derholbedingungen eine quantitative Bestim-mung der Oberflächengeometrie von Polierträ-gerplatten mit Durchmesser 640 mm mit einerWiederholstandardabweichung von ± 0,15 μm.Die ursprünglich acht notwendigen Gerad-heitsmessungen zur Bestimmung der Ebenheitkonnten auf insgesamt zwei Messungen redu-ziert und die Meß- und Auswertezeit um 75Prozent auf insgesamt etwa 3 bis 5 Minutenpro Trägerplatte gekürzt werden.

Geradheitsabweichung liegt also innerhalb die-ses Bereiches bei einer Einzelmessung. Auf-grund der fehlerbehafteten Einzelmessungenergeben sich mit fortlaufender Meßstrecke xgrößere Meßunsicherheiten [5]. Der Maximal-wert der Unsicherheit liegt theoretisch in derBahnmitte vor [6]. Dort ergibt sich eine maxi-male Unsicherheit von Uemax = 0,03 μm - beizufälligen Abweichungen des Elcomats mit Δα= 0,05" und einer Positioniergenauigkeit desSpiegels von 0,5 mm. Diese Werte sind jedochnur unter Laborbedingungen erreichbar. Auf-grund von Temperatureinflüssen - im vorlie-genden Fall vor allem durch Körperwärme desBedieners - ergeben sich in der Praxis Luft-schichtungen und Luftschlieren, die die zufäl-lige Meßunsicherheit zusätzlich erhöhen. Diesystematischen Einflüsse der maximalen Unsi-cherheit in der Bahnmitte liegen bei 0,08 μmund sind zunächst vernachlässigbar und zudemfür Vergleichsmessungen irrelevant.

Verkürzung der Meßzeiten aufein Viertel

Aus den vorliegenden Ergebnissen läßt sichableiten, daß bei einer erreichten maximalenWiederholgenauigkeit von ±0,3 μm in derBahnmitte eine Einzelmessung einer Bahnausreichend ist. Aufgrund der rotationssymme-trischen Objekte genügt es, jeweils zwei auf-einander senkrecht stehende Geradheitsmes-sungen in radialer Richtung über die Träger-platte durchzuführen, um aussagekräftigeErgebnisse über die Trägerplattengeometrie zuerhalten. Damit können die Untersuchungs-und Prüfzeiten auf ein Viertel der ursprüngli-chen Ebenheitsmessung reduziert werden.

Wirkung der Trägergeometrieauf die Keiligkeit

Wie bereits erwähnt, hat die Oberflächenformder Trägerplatte, auf die die Si-Wafer in direk-tem Kontakt aufgeklebt sind, einen unmittel-baren Einfluß auf die erreichbare Ebenheit derSi-Wafer. In Bild 5 sind drei typische Profilevon Trägerplatten dargestellt, die durch Gerad-heitsmessung über den Durchmesser der Trä-gerplatte bestimmt wurden. Es zeigt sich, daßeine Trägerplatte sowohl eine konvexe alsauch eine konkave Oberflächenform habenkann. Da die Si-Wafer auf der Außenseite derTrägerplatte aufgeklebt sind, ist zu erwarten,daß die Oberflächenform einen Einfluß auf die

Bild 5. Charak-teristische Profiledreier verschie-dener Trägerplat-ten mit konvexer,konkaver undnahezu ebenerForm

1

0.5

0

-0.5

-1

-1.5TP2 TP3 TP4

Bild 6. Keiligkeit der Si-Wafer, ver-ursacht durch die Oberflächenformder Trägerplatte

R

adia

le K

eilig

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