CZ27013U1 - Zařízení pro měření tloušťky polovodičových vrstevnatých struktur SOI - Google Patents

Description

Technické řešení se týká zařízení pro měření tloušťky polovodičových vrstevnatých struktur SOI zahrnuje zdroj záření, optická vlákna, skener, spektrometr, řídící elektroniku a počítač.

Dosavadní stav techniky

Vrstevnaté struktury pro elektronický průmysl jsou tvořeny nosným substrátem (např. křemíkovou deskou) a specifickými vrstvami vytvářenými podle požadavků cílové aplikace. Kromě běžných vrstev oxidu a nitridu křemičitého, epitaxních vrstev křemíku se vytvářejí pokročilé vrstevnaté struktury s vrstvou izolantu, např. oxidu křemičitého nebo nitridu křemičitého, utopenou v monokrystalickém materiálu. Tyto vrstevnaté struktury Silicon-On-Insulator (SOI) jsou tak typicky tvořeny substrátem - křemíkovou deskou tloušťky (0,3 - 1,2) mm, vrstvou izolantu např. oxidu křemičitého tloušťky (100 - 3000) nm a tenkou vrstvou monokrystalického křemíku - SOI vrstvou tloušťky typicky 1000 nm - 10000 mm. Měření tloušťky SOI vrstvy je nezbytné pro řízení procesu výroby polovodičové struktury i pro certifikaci výsledného produktu ve shodě s požadovanou specifikací cílové aplikace. Standardní průměr desky SOI je 150 a 200 mm s požadavkem na minimální variabilitu tloušťky SOI v celé ploše desky, např. max. +/- 500 nm nebo nižší. Standardním řešením pro měření tlouštěk vrstev SOI je Fourierovská infračervená spektroskopie (FTIR). FTIR spektrometr, který umožňuje mapování tlouštěk SOI v celé ploše desky, představuje nákladné zařízení jak z hlediska nákladů na pořízení, tak z hlediska údržby infračervené optiky, laseru, manipulačního stolku, případně nutnému proplachu dusíkem. Jiná komerčně nabízená řešení (pracující ve viditelném oboru) jsou zaměřena na analýzu tenkých vrstev (max. stovky nm) a často neumožňují mapování dostatečně velkých desek.

Podstata technického řešení

Cílem technického řešení je nová konstrukce zařízení, která umožní efektivní mapování tlouštěk relativně tenkých vrstev SOI s řádově nižšími náklady ve srovnání se standardní FTIR metodou.

Zařízení pro měření tloušťky polovodičových vrstevnatých struktur SOI zahrnuje zdroj záření, optická vlákna, skener, spektrometr, řídící elektroniku a počítač, jehož podstata spočívá v tom, že má skener tvořen podstavcem, na němž je uspořádán držák pro uchycení sondy s čočkou, přičemž v odstupu o sondy je uspořádán manipulační stolek spojený s rotačním pohonem, který je spřažen s horizontálním posunem.

Předkládaným technickým řešením je specializované zařízení pro měření tloušťky polovodičových vrstevnatých struktur Silicon-On-Insulator (SOI) s využitím spektroskopie ve viditelné (VIS) a blízké infračervené (NIR) oblasti optického spektra. Zařízení umožňuje mapování tlouštěk vrstev rozměrných vzorků (např. křemíkových desek).

Sekundární výhodou je také možnost měření tlouštěk utopené vrstvy SiO2 (BOX).

Při výrobě polovodičových struktur Silicon-On-Insulator (SOI) má klíčový význam mapování tloušťky tenké vrstvy křemíku (Si). Uváděné technické řešení naplňuje všechny požadavky pro průmyslovou využitelnost:

- Přesnost měření tloušťky na úrovni +/- 30 nm,

- Rozsah měřených tlouštěk křemíkové vrstvy 1000 - 10 000 nm,

- Bezkontaktní a nedestruktivní měření,

- Minimální rozměr zařízení, mobilita, způsobilost pro použití v čistých prostorech,

- Nízké náklady na pořízení, provoz a údržbu.

Zařízení podle tohoto technického řešení nedestruktivně mapuje tloušťky vrstevnatých struktur

-1 CZ 27013 Ul

Silicon-On-Insulator (SOI) na deskách průměru 100 až 200 mm.

Výhodné je, že zařízení je vybaveno speciálním manipulačním stolkem z PTFE materiálu opatřeného servopohonem umožňujícím rotaci, v kompaktním řešení způsobilém pro aplikaci v čistých prostorech polovodičové výroby.

Počítač vybavený obslužným software aplikuje robustní algoritmus pro určení tlouštěk vrstevnatých struktur Silicon-On-Insulator a stanovení chyb měření.

Přehled obrázků na výkresech

Technické řešeni VIS-NIR skeneru bude objasněno pomocí přiložených výkresů, kde na obr. 1 je znázorněno blokové schéma zařízení, na obr. 2 je znázorněn skener v bokorysném pohledu, na obr. 3 je znázorněn skener v půdorysném pohledu a na obr. 4 jsou znázorněna naměřená reflexní spektra během procesu ztenčování ACT vrstvy.

Popis příkladného provedení

Zařízení podle tohoto technického řešení bude osvětleno v následujícím popisu na příkladném provedení s odkazem na příslušné výkresy.

Zařízení pro měření tloušťky polovodičových vrstevnatých struktur SOI je znázorněno na obr. 1, obr. 2 a obr. 3. Zařízení v tomto provedení zahrnuje zdroj 3 VIS-NIR záření, který je připojen přes optické vlákno 2 na skener 4 VIS-NIR záření, jenž je dále propojen přes optické vlákno 2 k spektrometru I. Spektrometr 1 je řízen přes počítač 6. Ovládání posuvu, který je součástí skeneru 4, je realizováno řídící elektronikou 5, která komunikuje s počítačem 6.

Mechanická část skeneru I sestává z manipulačního stolku 10 opatřeného rotačním servopohonem 9 spřaženým s horizontálním posunem 8, jehož délka je min. 100 mm. Horizontální posun 8 efektivně umožňuje lineárně vysunout měřenou polovodičovou vrstevnatou strukturu SOI - desku vzhledem k měřící sondě li až do vzdálenosti min. 85 mm od osy otáčení manipulačního stolku 10. U standardní desky průměru 150 mm tedy skener 4 VIS-NIR záření může proměřit libovolný bod povrchu desky. Deska je uložena v zahloubení, jež je vytvořeno v manipulačním stolku 10, který je vyroben např. z PTFE materiálu. Deska je v tomto zahloubení fixována gravitačně. Měření je nedestruktivní a výhodu je, že deska s vrstevnatou strukturou může být po měření dále zpracována v polovodičové výrobě. V definované výšce, která je závislá na ohniskové vzdálenosti použité čočky, nad skenovaným povrchem desky je umístěn držák 7 reflexní-sondy li s fokusační čočkou 12. Vzdálenost výstupního otvoru sondy 11 od čočky 12 je nastavitelná způsobem, aby bylo možné světelnou stopu zaostřit na měřený povrch desky. Světlo je do reflexní-sondy 11 přiváděno ze zdroje 3 VIS-NIR záření o výkonu min. 10 W, a odváděno optickým vláknem 2 o průměru min. 200 mikronů do spektrometru 1, např. CCD spektrometr Avantes. Spektrální rozlišení je určeno vstupní štěrbinou spektrometru i - ve spektrální oblasti >700 nm (kde světlo dostatečně proniká aktivní vrstvou SOI) musí být spektrální rozlišení lepší než 1.5 nm. Řízení horizontálního posunu 8 může zajišťovat dedikovaný jednočipový procesor nebo v daném příkladném provedení zařízení se využívají digitální výstupy spektrometru i pro řízení krokového motoru.

Postup skenování je zvolen takovým způsobem, aby primární osa pohybu manipulačního stolku 10 odpovídala rychlejšímu motoru (v našem případě rotačnímu servopohonu, skenuje se tedy po soustředných kruzích). Program uložený v paměti počítače 6 koordinuje posuny motorů skeneru i s měřením spekter v jednotlivých bodech a provádí jejich analýzu s určováním hledaných parametrů (vzniká takto jejich mapa, která může být zobrazována i v reálném čase). Naměřená spektra odrazivosti mají strukturu podle příkladu na obr. 4, horizontální poloha (energie/vln. délka) interferenčních minim/maxim souvisí s tloušťkou homí Si vrstvy (ozn. ACT) desky, poloha uzlů a „balíků“ pak s tloušťkou oddělujícího oxidu (BOX), u obou znázorněných spekter je stejná. Po korekci na závislost indexu lomu na vlnové délce (disperze) by vzdálenost minim měla být konstantní; vlivem modulace způsobené vrstvou zanořeného oxidu se tato vzdálenosti periodicky mění. Součástí analýzy je tedy identifikace poloh uzlů a stanovení korekce v závislosti na

-2CZ 27013 U1 pořadí uzlu ve spektru. Systematická nejistota určení tloušťky ACT vrstvy desky se po těchto korekcích pohybuje v řádu nm (za předpokladu správného modelu dielektrické funkce).

Měření reflektivity vyžaduje kalibraci na referenčním vzorku a spolehlivost absolutních hodnot naměřených údajů je omezená - proto se v analýze spoléháme pouze na polohy podél horizontální osy. Započítám relativních hodnot reflektivity u minim a maxim ale umožňuje dosti přesně (opět řádu nm) stanovit polohu (jednoho či více) uzlů a odtud tloušťku BOX vrstvy (tu lze s dostatečnou přesností považovat za homogenní, a tedy kombinovat spektra naměřená v různých bodech skenování).

Průmyslová využitelnost

Při výrobě polovodičových struktur Silicon-On-Insulator (SOI) má klíčový význam mapování tloušťky tenké vrstvy křemíku (Si). Zařízení je určeno pro měření tlouštěk SOI vrstev broušených, leptaných a leštěných v rozsahu tlouštěk 1000 nm - 10000 nm.

Claims (1)

1. Zařízení pro měření tloušťky polovodičových vrstevnatých struktur SOI zahrnuje zdroj (3) záření, optická vlákna (2), skener (4), spektrometr (1), řídící elektroniku (5) a počítač (6), vyznačující se tím, že má skener (4) tvořen podstavcem, na němž je uspořádán držák (7) pro uchycení sondy (11) s čočkou (12), přičemž v odstupu o sondy (12) je uspořádán manipulační stolek (11) spojený s rotačním pohonem (9), který je spřažen s horizontálním posunem (8).

4 výkresy