Fallstudie: Hochgeschwindigkeitskamera hilft, Grenzen der Halbleitermesstechnik zu erweitern
Neue Experimente eines niederländischen Forschungsinstituts basieren auf der Hochgeschwindigkeits-Bilderfassung von Emergent, um Vibrationsprobleme in einem neuartigen Overlay-Messtechnikkonzept zu mildern.
Um mit dem Mooreschen Gesetz Schritt zu halten – einem Eckpfeiler der Innovation, der vorhersagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Mikrochip etwa alle zwei Jahre verdoppeln wird – stößt die Halbleiterindustrie weiterhin an fundamentale Grenzen. Dies ist das Steuerhaus, in dem die Fortgeschrittenes Forschungszentrum für Nanolithographie (ARCNL) in Amsterdam lebt – inmitten der extremen wissenschaftlichen Herausforderungen, die diese Branche ausmachen.
In der Welt der Halbleiterfertigung können kleinste Vibrationen die größten Probleme verursachen – nämlich die Verschrottung eines bearbeiteten Wafers, der Tausende von Dollar wert sein könnte. Um zukünftige technische Herausforderungen im Bereich der Halbleiterchipfertigung zu lösen, hat ARCNL eine Methode entwickelt, um die inhärenten Empfindlichkeiten der interferometrischen Techniken zu überwinden, die der Gerätehersteller zur Gewährleistung der Genauigkeit bei der Chipfertigung benötigt.
Das Versprechen der digitalen holografischen Mikroskopie erfüllen
Da die Schaltkreisgrößen immer kleiner werden, hat sich die digitale holografische Mikroskopie (DHM) als vielversprechende interferometrische Messtechnik für die Overlay-Messtechnik der Zukunft erwiesen. Mit DHM ließe sich die Genauigkeit der Ausrichtung von Chipschichten auf Halbleiterwafern messen. Allerdings ist die Technik von Natur aus empfindlich gegenüber unerwünschten Phasenschwankungen, was zu Bildqualitätsverzerrungen durch mechanische Vibrationen und Luftturbulenzen führt.
DHM funktioniert in einer Laborumgebung gut, aber die Implementierung in der realen Welt ist knifflig, bemerkt Tamar Cromwijk, Forscherin am ARCNL und Doktorandin an der Vrije Universiteit in Amsterdam sowie Hauptautorin eines Forschungsartikel veröffentlicht in der Ausgabe vom 7. Oktober von Optics Express. „In der realen Welt wird die Präzision interferometrischer Methoden wie DHM durch Vibrationen beeinträchtigt“, sagt sie.
In einer Produktionsumgebung mit hohem Durchsatz bewegt sich ein Halbleiterwafer in einem Messwerkzeug mit rasch wechselnden Geschwindigkeiten, was zu großen Beschleunigungen führt und die größten Bedenken hinsichtlich Vibrationen hervorruft, erklärt Cromwijk.
„Das ist eine enorme technische Herausforderung, die wir lösen müssen. Man möchte mit der Messtechnik so schnell wie möglich sein, also muss man mit der Messung beginnen, während mechanische Vibrationen vorhanden sind. Das ist also Ursache Nummer eins“, sagt sie. Andere Vibrationen, wie Temperaturschwankungen und die Bewegung von Lüftern, tragen ebenfalls zu dem Problem bei. „Alles trägt zu einer Gesamtphasenschwankung bei, die die Messqualität verschlechtert, und das ist es, was wir zu mildern versuchen.“
Gemeinsam mit dem Niederländischen Forschungsrat, der Universität von Amsterdam, der Vrije Universiteit und der Universität Groningen arbeitet ARCNL in direkter Partnerschaft mit einem Gerätehersteller, der großes Potenzial im DHM sieht, wenn dessen Einschränkungen überwunden werden können.
Hochgeschwindigkeitskamera ermöglicht Korrektur
Um den durch Vibrationen verursachten Kontrastverlust zu korrigieren, haben die Forscher des ARCNL eine Methode entwickelt, die auf einer rechnergestützten Hochgeschwindigkeitskorrektur der Auswirkungen von Vibrationen basiert. Mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera wird eine Sequenz digitaler Hologramme aufgenommen, um die Vibration als Funktion der Zeit zu verfolgen. Durch die Verfolgung und Interpolation der Phasenänderungen zwischen den Belichtungen kann das System den Verlust des Bildkontrasts in den Hologrammen kompensieren. Dies führt letztendlich zu einer verbesserten Bildgebung für präzisere Overlay-Messungen.
„Wenn wir diese Phase über einen längeren Zeitraum verfolgen, können wir sie im Nachhinein korrigieren. Was die Vibrationen bewirkt haben, können wir jedoch nur verfolgen, wenn wir schneller sind als die Vibration selbst“, sagt Cromwijk. „Deshalb brauchen wir die Hochgeschwindigkeitskamera – um das Verhalten der Phase der Vibrationen zu isolieren und zu verfolgen.“
Sowohl in seinem experimentellen interferometrischen Aufbau als auch in seinem Schwingungsdämpfungsaufbau im DHM verwendet das Forschungsteam eine HZ-2000-GM 100GigE Kamera von Emergent Vision Technologies, die über einen Gpixel GSPRINT4502 CMOS-Bildsensor verfügt. Bei voller Auflösung (2048 x 1216 Pixel) erreicht die Kamera 3462 fps im 8-Bit-Modus und 1782 fps im 10-Bit-Modus. Für diese Arbeit lassen die Forscher die Kamera mit 1000 fps im 10-Bit-Modus laufen.
Die hohe Geschwindigkeit und Auflösung der Kamera seien für dieses Experiment entscheidend, sagt Cromwijk. „Wir haben einen 2.5-Megapixel-Sensor und die Fähigkeit, all diese Informationen mit so hoher Geschwindigkeit zu lesen, das kann nicht jede Kamera“, sagt sie. „Es geht um die Geschwindigkeit, die Auflösung der kleinen Pixel und dann um die Fähigkeit, 250 Bilder in einem Puffer auszulesen, sodass wir über einen ziemlich langen Zeitraum messen können.“
Auch die kompakte Größe der Emergent-Kamera ist wichtig. Das ARCNL-Team hat sich andere Hochgeschwindigkeitskameras angesehen, aber diese waren laut Cromwijk nicht nur sehr teuer, sondern auch riesig. „Wir können sie nicht in ein Steckbrett einbauen und möchten zeigen, dass unsere Lösung kostengünstig ist, ohne dass die Leistung darunter leidet.“
Abbildung 1: Im Labor des Advanced Research Center for Nanolithography (ARCNL) verwenden Forscher eine Hochgeschwindigkeitskamera, um Phasenschwankungen zu verfolgen und zu korrigieren, die durch mechanische Vibrationen während der digitalen holografischen Mikroskopie (DHM) verursacht werden.
Das DHM-Setup
Die Forscher des ARCNL überprüften das Konzept ihrer Technik zur Vibrationsminderung zunächst an einem einfachen Michelson-Interferometer-Aufbau. Dabei wird das Licht einer superkontinuum-weißen Lichtquelle durch einen akustisch-optisch abstimmbaren Filter (AOTF) gefiltert, um die gewünschte Wellenlänge zu erhalten. Mit einem 50:50-Strahlteiler wird der 632 nm-Strahl in einen Beleuchtungsstrahl zu einem Spiegel und einen Referenzstrahl zu einem anderen Spiegel aufgeteilt. Durch die Platzierung des ersten Spiegels in einem kleinen Winkel entsteht ein dichtes Streifenmuster, ähnlich einem Streifenmuster in der Off-Axis-Holografie. Hinter dem Strahlteiler bildet eine Linse die Spiegeloberflächen auf der Hochgeschwindigkeitskamera ab. Das Team steuert die optischen Weglängen, indem es den ersten Spiegel bewegt, wo es auch einen piezoelektrischen Stapel hinzufügt, um Vibrationen zu erzeugen.
Nach dieser ersten Überprüfung führte ARCNL eine Overlay-Messung mit einem Off-Axis-DHM im Dunkelfeld an speziellen Testzielen durch. In einem ähnlichen Aufbau verwendet das DHM eine fasergekoppelte Superkontinuum-Weißlichtquelle, die von einem AOTF spektral auf eine Wellenlänge von 632 nm mit einer Bandbreite von 3 nm gefiltert wird. In diesem Fall wird die Strahlintensität mit einem 90:10-Strahlteiler aufgeteilt, um jeweils einen Beleuchtungs- und einen Referenzstrahl zu erzeugen. Ein nichtpolarisierender 50:50-Strahlteiler wird in beiden Pfaden zur parallelen Erfassung der +1. und −1. Beugungsordnung verwendet.
Schließlich wird mit der Emergent-Hochgeschwindigkeitskamera eine Folge von Hologrammen aufgenommen. Jedes Hologramm ergibt eine abgerufene Phase, die dann interpoliert wird, um die kontinuierliche Phasenvariation abzurufen, die dann zur Berechnung des Kontrastverlusts verwendet wird.
Neben seiner Geschwindigkeit und kompakten Größe bietet der HZ-2000-GM integriert die GPUDirect-Technologie, mit der die erfassten Daten zur Echtzeitverarbeitung direkt an die GPU übertragen werden können. Diese Funktion reduziert die Latenzzeit erheblich und maximiert die Effizienz der Datenverarbeitung, was bei den großen Datenmengen, die von der Kamera generiert werden, von entscheidender Bedeutung ist.
Abbildung 2: Der Aufbau umfasst eine superkontinuierliche Weißlichtquelle, einen akustooptischen abstimmbaren Filter (AOTF) zur Wellenlängenauswahl, einen 50:50-Strahlteiler zum Aufteilen des Strahls und einen Wellenformgenerator zur Steuerung der Vibrationen über einen piezoelektrischen Stapel für interferometrische Messungen.
Fortschrittliche Bildgebungsfunktionen
Ein solches Experiment wäre ohne die Fortschritte der Kameratechnologie in den letzten Jahren nicht möglich gewesen. „Das war vor 10 Jahren nicht möglich, und zwar wegen der Datenmenge, die wir aus der Kamera auslesen können“, sagt Cromwijk. „Vor 10 Jahren hätten wir das vielleicht mit einer Zeile machen können, aber jetzt können wir das gesamte Bildfeld erfassen.“
Das experimentelle Konzept ist nicht nur auf die Auflösung ausgelegt, die für die immer kleineren Schaltkreise zukünftiger Halbleiter erforderlich ist, sondern auch auf einen breiteren Wellenlängenbereich, um mehrere Farben gleichzeitig betrachten zu können. Das dritte Ziel sind schwache Ziele, erklärt Cromwijk. „Wenn Sie beispielsweise eine undurchsichtige Schicht dazwischen haben, bei der die Streuung von Ihrem darunter liegenden Gitter sehr schwach ist, können Sie mit dieser holografischen Technik mehr Licht in Ihren Referenzstrahl bringen und dann im Grunde Ihr gesamtes Signal verstärken“, sagt sie.
Die Forscher verzeichnen den Erfolg erster Experimente zur Erzielung einer präziseren Overlay-Messtechnik und weisen auch darauf hin, dass die Technologie noch weiter verbessert werden könnte. Während Emergent seine Fähigkeiten weiter verbessert, bleibt Cromwijk mit dem Kameralieferanten in Kontakt, um über Entwicklungen bei Bildraten, Pixelgrößen, Bittiefe und mehr auf dem Laufenden zu bleiben. Während derzeit 100GigE im Mittelpunkt steht, ist Emergent noch lange nicht fertig. Bleiben Sie dran für noch mehr bahnbrechende Entwicklungen im Jahr 2025.
Ausführliche Informationen zu den Experimenten und Ergebnissen finden Sie unter Lesen Sie den Forschungsartikel von ARCNL.
FÜR WEITERE INFORMATIONEN:
Hochgeschwindigkeitskameras von Emergent Vision Technologies:
https://emergentvisiontec.com/area-scan-cameras/
