Die Messung des Unsichtbaren

| Redakteur: Dr. Anna-Lena Gutberlet

Jochen Kortmann (links), Kurator der Stiftung Industrieforschung, überreicht Dr. Alexander Tobisch (rechts) den ersten Preis der Stiftung Industrieforschung 2018.
Jochen Kortmann (links), Kurator der Stiftung Industrieforschung, überreicht Dr. Alexander Tobisch (rechts) den ersten Preis der Stiftung Industrieforschung 2018. (Bild: Johannes Hempel / Stiftung Industrieforschung)

Dr. Alexander Tobisch vom Fraunhofer IISB erhält den Wissenschaftspreis der Stiftung Industrieforschung für die Entwicklung eines optischen Messverfahrens. Dieses erkennt kleinste Unebenheiten auf Halbleiter-Wafern und kann so helfen, die Ausbeute bei der Herstellung von Mikrochips zu erhöhen.

Inzwischen sind die Strukturen integrierter Schaltkreise so winzig, dass die Silizium-Wafer auf denen die Mikrochips gefertigt werden, 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, aufwändig, teuer und relativ schwer in die Fertigungsprozesse integrierbar. Zielsetzung der Promotion von Alexander Tobisch war daher die Entwicklung eines neuartigen, gegenüber äußeren Einflüssen robusten und preisgünstigeren 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.

Für polierte, geschliffene oder strukturierte Oberflächen

Alexander Tobisch hat deshalb die wesentlichen Elemente beider Prinzipien für seine Dissertation „Telezentrische Deflektometrie zur Nanotopographiemessung von Halbleiterscheiben“ 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. 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.

Von der Entwicklung zur Vermarktung

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

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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