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Caracterización de la evolución de la forma y la textura de una oblea de silicio inducida por la temperatura

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El uso de la cámara de control de temperatura de precisión de Linkam con la lente de objetivo Linnik de Sensofar elimina estos problemas y permite una medición precisa de los perfiles topográficos 3D de los materiales a nanoescala

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En este estudio de caso, Linkam y Sensofar Metrology demuestran su colaboración en la producción de un montaje experimental para experimentos de perfilometría óptica con control de temperatura. Este ha sido históricamente un procedimiento difícil debido a los problemas de imagen causados por las aberraciones esféricas. El uso de la cámara de control de temperatura de precisión de Linkam con la lente de objetivo Linnik de Sensofar elimina estos problemas y permite una medición precisa de los perfiles topográficos 3D de los materiales a nanoescala. Aquí, observamos los cambios en la topografía de las obleas de silicio a medida que evolucionan con las temperaturas desde 20°C hasta 380°C.

El Procesamiento Térmico Rápido (RTP) es un paso importante en el proceso de fabricación de obleas de silicio, en el que la oblea se calienta rápidamente a altas temperaturas durante un corto período de tiempo, y luego se enfría lentamente de manera controlada, con el fin de impartir las propiedades semiconductoras deseadas a la oblea. Sin embargo, el RTP, provoca un estrés térmico que conlleva otros problemas en la fotolitografía que pueden afectar al rendimiento del dispositivo, como la rotura por choque térmico o la dislocación de la red molecular. Entender el comportamiento de una oblea en estas condiciones puede ayudar a optimizar el proceso, mejorando las propiedades del semiconductor y la durabilidad de la oblea.

Un método clave para evaluar los efectos del cambio de temperatura durante la fabricación de obleas es medir la rugosidad de la superficie de la oblea en función de la temperatura. Para ello, la rugosidad de la superficie se observa mediante una técnica de interferometría junto con el uso de una cámara térmica, lo que permite elevar la temperatura con precisión a valores similares a los del proceso de fabricación mientras se observa la muestra mediante microscopía.

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Figura 1. Oblea de silicio con patrón

Hay varios factores que introducen cierta complejidad en la obtención de estas mediciones interferométricas. En primer lugar, para visualizar la muestra y obtener los datos mientras se controla con precisión la temperatura en la cámara, es necesario realizar observaciones a través de la ventana óptica de la cámara. Esta ventana tiene un grosor de 0,5 mm, pero en algunos casos puede llegar a ser de 1 mm, dependiendo del grado de aislamiento térmico requerido. Esta ventana, al ser de un índice de refracción diferente al del aire, introduciría aberraciones ópticas y desajustes que, al analizar obleas de silicio, deberían corregirse para obtener datos fiables. Además, al aumentar la temperatura en el interior de la cámara, se emite calor al exterior a través de la ventana de observación, lo que no es ideal para la microscopía óptica. En el aire cercano a esa ventana, la temperatura puede alcanzar los 60 grados centígrados, lo que puede provocar la deformación de la lente del objetivo, introduciendo aberraciones.

Para resolver los problemas experimentales de la interferometría a distintas temperaturas, se puede utilizar un interferómetro de Linnik. El interferómetro de Linnik introduce el uso de ópticas de medición dentro del brazo de referencia de un interferómetro clásico. Esto permite compensar y corregir el efecto de la ventana óptica, como la dispersión cromática y las aberraciones ópticas, permitiendo trabajar con objetivos de campo claro que tienen una mayor distancia de trabajo que los objetivos interferométricos tradicionales.

En este trabajo se estudia el efecto del proceso RTP en las obleas de silicio teniendo en cuenta las aberraciones ópticas producidas por los cambios de temperatura. Se utilizaron dos muestras diferentes, correspondientes a distintos diseños de chips de obleas de silicio. La muestra A tenía un tamaño de 2,8 mm x 1 mm, mientras que la muestra B tenía 3,0 mm por 2,35 mm. Las obleas de silicio tienen valores típicos de rugosidad superficial en la escala submicrónica, por lo que la tecnología óptica ideal para esta aplicación es la interferometría de barrido de coherencia (CSI, ISO 25178, parte 604). La CSI ofrece sólo 1 nm de ruido del sistema, independientemente del aumento de la lente que se utilice.

Para el diseño y la construcción del objetivo Linnik se utilizaron dos objetivos EPI 10x de Nikon (Nikon, MUE12100) con una distancia de trabajo de 17,5 mm. La misma configuración está disponible con objetivos 10xSLWD (Nikon, MUE31100), que proporcionan una distancia de trabajo de 37 mm. Esto hace que las emisiones térmicas de la cámara sean casi imperceptibles para el objetivo y no afecten ni perjudiquen la calidad de la medición. El objetivo Linnik se montó en el perfilómetro óptico 3D (Sensofar, S neox), que combina 4 tecnologías ópticas en el mismo cabezal: Confocal, CSI, PSI y variación de enfoque. Estas técnicas están contempladas en la norma ISO 25178.

El control de la temperatura se realiza mediante una cámara Linkam LTS420 y el controlador de temperatura T96, que permite regular y controlar la temperatura entre -195° y 420°C con una precisión de 0,01°C, mientras se observa la rugosidad de la muestra a través de la ventana de la cámara. La cámara también permite controlar la presión y la humedad, pero esto no se ha investigado en este estudio.

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Figura 2. Configuración experimental de Linkam LTS420 y Sensofar Linnik). Esquema de la configuración óptica Linnik

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La muestra de la oblea se colocó en la cámara Linkam bajo el perfilador óptico S neox con la configuración Linnik. La rutina de adquisición consistió en una rampa de temperatura de 30°C a 380°C en pasos de 50°C, tomando 8 mediciones topográficas de la muestra en cada paso. Este procedimiento se repitió para tres muestras.

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Figura 3. Gráfico tiempo-temperatura que muestra los pasos de temperatura en los que se realizaron las mediciones ópticas.

Utilizando el software SensoMAP, los resultados se visualizaron y analizaron creando una plantilla y aplicándola a todas las muestras. La plantilla permite extraer 3 perfiles en cada topografía (horizontal, diagonal y vertical) y representarlos en un mismo gráfico, y además construye una secuencia de las topografías para exportarla como un vídeo y representarla en un gráfico 4D.

Se tomaron dos imágenes topográficas de la misma muestra utilizando la metodología anterior y se muestran en la figura 5 como mapas de altura bidimensionales. Las tres líneas sólidas representan los tres perfiles diferentes (horizontal, vertical y diagonal) extraídos para cada topografía. Los perfiles en cada dirección se muestran en la Figura 6, donde podemos ver la evolución para las diferentes temperaturas a las que se tomó la muestra. Las imágenes muestran que al calentar la muestra, su topografía cambia.

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Figura 4. Mapas de altura bidimensionales que muestran la topografía de la muestra A a (a) 30ºC y (b) 80ºC. Las líneas negras indican las tres direcciones en las que se tomaron los perfiles para los estudios posteriores.

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Figura 5. (a) Perfiles horizontales, (b) diagonales y (c) verticales extraídos de las mediciones de la muestra A a ocho temperaturas diferentes.

Los datos pueden representarse en una imagen topográfica en 3D, como se muestra en la figura 7. Al apilar las imágenes 3D en función de la temperatura, se crea un "gráfico 4D", que muestra los cambios topográficos a diferentes temperaturas utilizando la misma escala de colores de altura, mostrando cómo se curvan las muestras a medida que cambia la temperatura. Es evidente que cuanto mayor es la temperatura, mayor es la flexión que experimentan las muestras.

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Figura 6. Vista apilada en 4D de las topografías extraídas de (a) la muestra A y (b) la muestra B para comparar visualmente el cambio de arco experimentado cuando las muestras pasan de 30 ºC a 380ºC.

Para cuantificar el arco de las muestras, se utilizaron dos parámetros diferentes. El primero es Sz, que es el parámetro de rugosidad superficial correspondiente a la altura máxima de una superficie según la norma ISO 25178. El segundo es Wz, que corresponde a la contrapartida de Sz en el análisis de perfiles (ISO 4287). Tanto Sz como Wz se obtuvieron tras aplicar un filtro S a la superficie (o perfil) con un corte de 0,8 mm. De este modo, sólo las longitudes de onda espaciales más largas permanecen en la superficie, eliminando la rugosidad y dejando únicamente la ondulación para el análisis del arco.

Los parámetros resultantes para las muestras A y B se representan en la figura 9. Para la muestra A, se observa una relación casi lineal entre el arco y la temperatura hasta 180ºC, que se estabiliza de 180ºC a 380ºC. Por otro lado, la muestra B no mostró ningún cambio notable en el arco hasta superar los 230ºC.

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Figura 7. Evolución del arco en (a) la muestra A y (b) la muestra B en función de la temperatura. Los parámetros de ondulación Wz se extrajeron de los perfiles horizontales, diagonales y verticales de la figura 5. El parámetro de rugosidad Sz se calculó a partir de la superficie tras aplicar un filtro S de 0,8 mm.

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Figura 8. (a),(b) Topografías de rugosidad filtrada de la muestra A (arriba) y de la muestra B (abajo) a 30 ºC y 380ºC respectivamente. Filtro S 2,5 μm, filtro L 0,8 mm. (c),(d) Parámetros de altura y rugosidad híbrida de las topografías (a) y (b) respectivamente.

Se ha comprobado la viabilidad de la configuración propuesta para realizar con éxito mediciones de rugosidad y ondulación a diferentes temperaturas. Se observaron dos comportamientos diferentes de la topografía superficial en función del diseño del chip. La muestra A mostró un comportamiento de curvatura temprana al calentar la muestra, mientras que la muestra B mostró la curvatura en una etapa posterior.

El perfilador óptico S neox 3D con un objetivo Linnik ha demostrado ser el complemento perfecto para la cámara LTS420 de Linkam para realizar dichas mediciones experimentales. Además, diferentes objetivos de campo claro son compatibles con la configuración Linnik, ofreciendo distancias de trabajo de hasta 37 mm y aumentos de hasta 100x para aplicaciones que requieren una alta resolución lateral.

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