Программно-аппаратный комплекс производственно-технологического контроля качества микро- и наноэлементной базы электроники

ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ПРОИЗВОДСТВЕННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МИКРО- И НАНОЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЫ

ЭЛЕКТРОНИКИ В.Л. Ткалич, Ю.А. Гатчин, А.Г. Коробейников, Б.П. Папченко, А.М. Скворцов

В работе рассмотрены вопросы, возникающие в ходе технологического контроля при производстве микро- и наноструктур элементной базы электроники. Проведен анализ серийного образца МИИ-4. Разработаны принципы, на основе которых можно улучшить технические характеристики МИИ-4. Рассмотрен разработанный на базе этих принципов измерительно -вычислительный комплекс. Приведены примеры его использования.

Введение

В развитии современной техники наблюдается тенденция использования функциональных объектов малых размеров. Примером может служить электронная техника, в которой микроминиатюризация приборов уже сейчас требует применения элементов, размеры которых составляют несколько микрон. Современная микроэлектроника - одно из самых динамично развивающихся междисциплинарных научно-технических направлений. Это обстоятельство во многом определяет современный уровень фундаментальных исследований и образовательного процесса в области производства микро- и наноструктур элементной базы электроники. Уникальность свойств таких объектов (микро- и наноструктур) во многом определяется атомными и электронными процессами, протекающими как в объеме, так и на их границах и имеющими уже квантовый характер. Задача осложняется еще и тем, что микро- и наноструктуры являются достаточно неравновесными системами. Поэтому дальнейшее развитие электроники ставит задачу разработки таких методов исследования, с помощью которых можно получать информацию о чистоте поверхности и обнаруживать структурные неоднородности на границе раздела фаз подложка - пленка и пленка - окружающая среда.

Отсюда следует, что задача разработки неразрушающих бесконтактных методов для исследования стереометрии и внутренних структурных дефектов в микро- и наноструктурах элементной базы электроники является актуальной, что полностью соответствует позиции «Информационно-телекоммуканикационные технологии и электроника» перечня «Приоритетные направления развития науки, технологий и техники Российской Федерации», а также позиции «Микросистемная техника» из «Перечня критических технологий Российской Федерации».

Анализ бесконтактных методов контроля при производстве микро- и наноструктур для электроники

В настоящее время развитие интегральной микроэлектроники вышло на такой уровень, когда наиболее продвинутые в инновациях фирмы ведут исследования, направленные на разработку технологии, которая обеспечивала бы масштабирование быстродействующих 90-нанометровых КМОП СБИС. Так, например, фирмой Intel Corporation в процессе усовершенствования технологии микропроцессора Pentium 4, серийно изготавливаемого по 130 нм-технологии [1], была подготовлена база для перехода к 90-нанометровому техпроцессу (масштабированию). В результате фирмой в 2004 году начата обкатка этого техпроцесса путем производства чипов SRAM емкостью 6,5 Мбайта. Ниже приводятся наиболее важные отличия 90-нанометрового техпроцесса от 130-нанометрового : • 7 медных слоев коммутации вместо 6 слоев;

• применение для подслоя коммутации силицида никеля вместо силицида кобальта;

• толщина слоя подзатворного оксида кремния 1,5 нм вместо 2,3 нм;

• использование подложек для изготовления СБИС диаметром 300 мм вместо 250 мм;

• площадь ячейки памяти SRAM 1,15 кв. мкм вместо двух кв. мкм;

• 193-нанометровая литография вместо 248-нанометровой;

• применение в качестве материала канала транзисторов «растянутого кремния» вместо обычного монокристаллического.

Сообщается также [1], что фирма Intel ведет интенсивные работы по переходу к 60-нм технологическому процессу создания СБИС с толщиной подзатворного диэлектрика транзисторов 1,2 нм. Имеются сообщения о том, что мировые лидеры по производству СБИС - компании Intel и АМД - собираются использовать для производства новейших процессоров структуру «кремний на диэлектрике» (КНД -SOI): компания Intel - на 60-нм техпроцессе в процессоре Prescott c более чем 100 миллионов транзисторов в одном чипе, а компания АМД - в процессоре Hammer.

Как видно из приведенного материала, по некоторым параметрам миниатюризация СБИС процессоров достигла значений, которые являются предельными с точки зрения физических ограничений процессов, происходящих с структурах СБИС. В то же время наличие многослойной коммутации и большого числа слоев межслойной изоляции обусловливают сложный рельеф поверхности кристалла, в котором формируется СБИС. Этот рельеф непрерывно изменяется с переходом от одного техпроцесса к другому, и требуется производить контроль высоты и площади рельефа.

Для обеспечения аналитического контроля СБИС с такой степенью интеграции разработаны десятки высокоточных методов и соответствующей аппаратуры, предназначенные для формирования изображений, элементного анализа, идентификации химических соединений, построения профилей распределения элементов и др. В число методов формирования изображений входят следующие основные методы:

• автоэлектронная микроскопия;

• инфракрасная фурье-спектроскопия;

• лазерная микроскопия;

• оптическая микроскопия;

• растрово-акустическая микроскопия;

• растровая электронно-акустическая микроскопия;

• растровая электронная микроскопия;

• растровая туннельная микроскопия;

• просвечивающая электронная микроскопия.

Однако большинство из этих методов не могут быть использованы в производственных условиях по нескольким причинам. Во-первых, производственные технологии требуют экспрессных методов контроля, которые оперативно обеспечивают обратную связь результатов измерений с технологическим процессом изготовления изделия, чего не обеспечивает большая часть этих методов. Во-вторых, оборудование для перечисленных исследований - сложное и дорогостоящее. Наконец, в-третьих, эксплуатация такого оборудования требует высокой квалификации обслуживающего и работающего на нем персонала. Такого персонала в производственных цехах нет.

Многие производственные технологии, в частности, производство изделий полупроводниковой микроэлектроники, предусматривают контроль качества поверхности заготовок (в микроэлектронике - подложек для микросхем, например, кремниевых монокристаллических пластин). Во время контроля определяют шероховатость поверхности, глубину и конфигурацию профилей, сформированных на поверхности подложек.

Особое место в конструировании изделий микро- и наноэлектроники занимает микроструктурирование поверхности монокристаллического кремния, которое широко применяется для создания пространственных поверхностных и объемных структур в монокристаллах кремния. Так, в полупроводниковых микросхемах с помощью V-образных канавок формируется изоляция элементов типа VATE и «Полипланар». В КМОП СБИС в форме V-образных канавок делаются затворы МОП-транзисторов. Изоляцию элементов в СБИС осуществляют также с помощью глубоких канавок в монокристаллических кремниевых подложках и с помощью разделительных канавок в БИС на КНС-структурах.

Микроструктурирование используют также для создания различных полупроводниковых датчиков и преобразователей.

В последние годы микроструктурирование находит применение в фотонике, например, для создания фотонных кристаллов.

Исходя из вышесказанного, можно предположить, что в скором времени микро- и наноструктурирование поверхности монокристаллов кремния будет использоваться при получения новых композитных материалов для изделий микро- и наноэлектроники.

Во всех перечисленных случаях контроль параметров микроструктурированной поверхности подложки является непременным условием, обеспечивающим качество изготавливаемых изделий. Ниже рассматриваются некоторые наиболее часто употребляемые методы контроля, в которых используется формирование изображения. Как утверждается в [2], методы формирования изображения относятся к наиболее ценным, как минимум, по двум причинам. Во-первых, изображение «выглядит» так, как оно представляется аналитику, и тогда приводится в действие весь ранее накопленный опыт визуальных наблюдений, и изображение предоставляет максимум информации за минимальный промежуток времени. Во-вторых, открывается возможность применения мощных средств обработки изображений с применением вычислительной техники, повышающих информативность и уровень количественной интерпретации.

Исходя из производственных требований, для формирования изображений поверхности наиболее приемлемым методом является оптическая микроскопия, и, в частности, микроинтерферометрия. Для бесконтактного неразрушающего контроля поверхности может быть с успехом использован микроинтерферометр МИИ-4, созданный по схеме академика В.П. Линника и представляющий собой развитие схемы интерферометра Майкельсона для случая системы сильного увеличения. С помощью МИИ-4 может быть отфиксирована высота неровности профиля 0,03 мкм и минимальное расстояние между двумя соседними неровностями 0,2 мкм при 500-кратном увеличении. Однако для применения этого интерферометра непосредственно в микроэлектронном производстве требуется его модификация, направленная на повышение производительности измерения, которая ограничена применением окуляра, сложностью и трудоемкостью фиксации изображения путем фотографирования.

Разработка измерительно-вычислительного комплекса для анализа микро- и наноструктур элементной базы электроники

Используемый в настоящее время для бесконтактного определения шероховатости поверхности микроинтерферометр МИИ-4М имеет недостатки как в осветительном, так и в измерительном каналах. Коротко их рассмотрим.

1. Источником света в МИИ-4М является лампа накаливания. При ее работе подавляющее количество потребляемой энергии выделяется не в виде световой энергии видимого диапазона, а в виде тепловой энергии. Вследствие этого лампа накаливания нагревает часть оптических деталей и корпуса прибора, контактирующего с узлом осветителя, создавая нестационарный градиент температуры в ветвях интерферометра.

Это приводит к дополнительной разности хода лучей, а, значит, и к появлению случайной ошибки измерений.

2. Лампа накаливания по своей конструкции и технологии изготовления не имеет постоянного положения нити накаливания относительно посадочного места лампы. В процессе работы лампы из-за разогрева спирали меняется ее жесткость, происходит смещение нити накала под действием силы тяжести.

3. Оператор должен выполнить измерения профиля кривой, находящейся в поле зрения. При этом измерения проводятся в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Оператор оценивает на глаз расстояния и толщины, составляющие около 0,1 ширины изображения. Это требует от оператора значительного напряжения органов зрения. Для одного измерения требуется снять более 10 отсчетов, что занимает несколько минут напряженной зрительной работы.

3. Поскольку каждый снятый отсчет оператор должен записать, у него постоянно меняется режим аккомодации глаза, меняется характер освещения. Все это приводит к сильному утомлению органов зрения и как следствие - снижению точности и скорости измерений.

Первые два указанных недостатка требуют наличия узла подвижки лампы и проведения операции настройки освещения как перед работой, так и периодически в процессе работы. Качество настройки освещения существенно влияет на качество изображения и, соответственно, на точность измерений.

Третий и четвертый недостаток сказываются на эффективности работы оператора.

Таким образом, указанные недостатки делают актуальной задачу модификации МИИ-4М.

Цель модернизации прибора заключается в повышении информативности и точности измерений шероховатости поверхности, ускорении процесса измерений и снижении утомляемости оператора с помощью измерительно-вычислительного комплекса (ИВК).

Для начала был подвергнут модернизации узел осветителя, в котором применен принципиально новый тип источника света. Затем был разработан блок, в который входит цифровая телевизионная камера и канал связи с персональным компьютером (ПК). Кроме этого, было разработано специализированное программное обеспечение (ПО).

Модернизация узла осветителя МИИ-4

Работа по модернизации узла осветителя основывалась на появлении нового поколения светоизлучающих диодов. В начале 2000 г. появились промышленно выпускаемые светодиоды, существенно отличающиеся от предшествующих (индикаторных светодиодов и светодиодов ИК диапазона) по своим эксплуатационным параметрам -мощности, сроку службы, спектральному составу излучения. Это поколение светодио-дов по ряду параметров превзошло лампы накаливания, что создало предпосылки модернизации осветительных систем приборов путем замены ламп накаливания светоиз-лучающими диодами (СД).

Работа основывалась на использовании отечественных светодиодов, так как формирование необходимой оптической характеристики светодиода (форма колпака) практически можно реализовать только при непосредственном взаимодействии с изготовителем изделия («ОПТЭЛ», г. Москва).

В работе решалась задача аберрационного расчета осветительного канала на базе светодиода У337 с эллиптическим колпаком.

При использовании светодиода У337 с эллиптическим колпаком в осветительном канале МИИ-4М возможны два варианта решения поставленной задачи. В первом варианте (рис. 1 а) светодиод используется со сложным коллектором и конденсорной

линзой. Таким образом, мы полностью используем осветительный канал МИИ-4М, который рассчитан для работы с лампой накаливания. Во втором варианте рассмотрен случай использования только конденсорной линзы (рис. 1 б). Такое рассмотрение имеет смысл, так как светодиод с эллиптическим колпаком уже представляет собой осветитель с коллектором, и можно ожидать, что изъятие линз конденсора не приведет к ухудшению характеристик освещения при упрощении конструкции.

Рис. 1. Светодиод с эллиптическим колпаком

В табл. 1 приведены результаты расчета оптических схем (а) и (б). Анализ этих результатов показывает, что схема (б) имеет лучшие характеристики по светораспреде-лению при одновременном упрощении конструкции. Поэтому было принято решение разрабатывать конструкцию по схеме (б).

№ Радиусы Осевые расст. Высоты Марки Кат Показатели преломления

Россия Ь0=0.5893 Ь1= Ь

0 1.550000

1 0.0 19.5900 0.68 1.550000

2 -6.9500 50.0000 8.72 ВОЗДУХ 1.000000 е2=0,4162 - эллипс

¡3 0.0 7.2400 4.86 ВОЗДУХ 1.000000

4 -8.3950 1.5000 4.89 ТФ5 1.754997

5 -10.5200 6.0000 5.34 ВОЗДУХ 1.000000

6 24.3200 3.0000 6.55 ЛК3 1.487397

7 -19.4480 5.0000 6.61 ВОЗДУХ 1.000000

8 13.1830 3.0000 6.10 ЛК3 1.487397

9 -13.1830 1.0000 6.10 ТФ5 1.754997

10 -1127.2000 13.0501 5.89 ВОЗДУХ 1.000000

Параксиальные характеристики

Б Б' ББ ББ' бН бН' Ь

9.0431 -5.8343 -6.6198 21.0201 -15.6630 26.8544 109.38

Б Б' Б'О V бР бР'

Таблица 1. Результаты расчета оптических схем

При расчете определяем зависимости между фокусным расстоянием колпака, показателем преломления материала и радиусов при вершине. В результате расчета получены данные для изготовления эллиптического колпака для светодиода У337 (рис. 2). Эти данные представлены в табличном виде (табл. 2), что удобно для изготовления формы отливки колпака, которая выполняется на станке с ЧПУ.

Рис. 2. Вид рассчитанного колпака

Эллиптический колпак

е2 = 1/п, где п - показатель преломления материала

Я0-радиус при вершине

Я0=Ь2/а, где а, Ь - полуоси эллипса

-Конструктивные параметры колпака-

N Радиусы

Осевые. расстояния

Высоты

Ь0=0.5893 0

1 0.0 2 -9.0000

Показатели преломления

1.583000 1.583000

е =0.399 - эллипс

24.4400 2.25

_ ВОЗДУХ 1.000000

Параксиальные характеристики -Б Б'

-24.4374 24.4374 ПРОВЕРКА:

Ее = Р(п-1)/п = 24.4374(1.583-1)/1.5183= _9_ Таблица 2. Данные для изготовления эллиптического колпака для светодиода У337

Оптическая схема осветителя, по существу, является упрощенной оптической схемой осветителя МИИ-4М, из которой исключены две линзы коллектора. Их функцию выполняет эллиптический колпак светодиода. Таким образом, практически для замены источника света надо вывинтить ненужные линзы и установить светодиод.

Светодиод с эллиптическим колпаком крепится теплопроводящей пастой к несущей детали, представляющей собой полый стержень. Внутри этого стержня проходят провода питания светодиода. Сам стержень имеет значительную массу и выполнен из материала, имеющего высокую теплопроводность. Это позволяет обеспечить температуру корпуса кристалла не более чем на 2-3° выше температуры окружающей среды.

Операция модернизации не требует специального инструмента и навыков и может быть выполнена обслуживающим персоналом МИИ-4М.

Для устранения третьего и четвертого недостатков МИИ-4М была установлена цифровая телевизионная камера, передающая информацию через блок измерения на ПК (рис. 3).

Рис. 3. Блок-схема ИВК

Разрешающая способность цифровой камеры не должна быть меньше разрешающей способности при измерении с помощью микрометра dM. Ее можно определить из соотношения: dM = D/Д,

где D - диаметр поля зрения в плоскости изображения, dM, Д - цена деления микрометра. При D = 10 мм и Д = 0,01 мм dM = 1000. Поэтому разрешающая способность цифровой камеры должна быть не менее 1000 пикселей на 1 см.

Линейное увеличение дополнительного канала рдк1 должно обеспечивать использование разрешающей способности объектива и цифровой камеры, оно определяется формулой:

Рдк! = 21 А / (nX^),

где I - длина наименьшей стороны приемника, А - числовая апертура объектива, n -число пикселей, X - длина волны, р0 - линейное увеличение объектива.

Линейное увеличение дополнительного канала рдк1 должно также обеспечивать использование поля зрения оптического прибора. Для описанной окружности

Рдк2 = D^/(DP0),

где D^ - диаметр приемника цифровой камеры, а для вписанной окружности Рдкэ = l/(DM Р0),

где DM - линейное поле зрения оптического прибора в пространстве предметов.

Благодаря наличию цифровой телевизионной камеры с разрешающей способностью не менее 10 пикселей по координатам Х и Y появляется дополнительная возможность определения координат точек пересечения профиля с линией, эквидистантной средней линии на заданном уровне.

Блок измерения позволяет фиксировать результаты измерения не только одной наводки на резкое изображение, но двух и более, обеспечивая запоминание результатов измерения профиля до линии, заданной оператором по высоте профиля. Последующие измерения профиля производятся от заданной линии и суммируются с предыдущими результатами измерений.

На рис. 4 показан профиль поверхности объекта.

Устройство работает следующим образом. Изображение поверхности объекта 9 вместе с наложенной на него интерференционной картиной проецируется на ПЗС-матрицу видеокамеры 12V1 1/2" B/W LONG CCD CAMERA. Передача изображения в компьютер производится внешним устройством записи GrabBee X+ USB 2.0 AV Grabber. Устройство имеет инсталлятор VideoHome. Оцифрованное изображение поступает в компьютер для обработки с помощью специально разработанным программным обеспечением.

y

ПО обеспечивает решение следующих задач.

• По координате Y:

1. измерение координат y через один пиксель;

2. измерение неровностей профиля по десяти точкам наибольших выступов и впадин C^pmi и yvmi);

3. измерение наибольшей высоты профиля Rmax.

• По координате Х:

1. измерение шага неровностей профиля Sm и опорной длины профиля;

2. измерение шага местных выступов S;

3. измерение длин отрезков Ъ,, отсекаемых в материале на заданном уровне сечения р профиля линией, эквидистантной средней линии.

На персональном компьютере по измеренным параметрам производится вычисление следующих характеристик шероховатости поверхности.

• По координате Y:

1. вычисление среднего арифметического отклонения профиля Ra, при этом определяется и средняя линия на базовой поверхности;

2. вычисление высоты неровностей профиля по десяти точкам Rz;

3. определение наибольшей высоты профиля Rmax в пределах базовой длины.

• По координате Х вдоль эквидистантной средней линии:

1. вычисление среднего шага неровностей профиля и опорной длины профиля;

2. вычисление среднего значения шага местных выступов профилей;

3. вычисление опорной длины профиля на заданном уровне сечения р;

4. вычисление относительной опорной длины.

Разработанный ИВК существенно ускоряет определение параметров опорной длины профиля, что важно при исследовании износа, трения и других требуемых технических характеристик поверхностей. Использование ИВК позволяет за счет автоматизации процесса измерения и обработки результатов измерения сократить время определения всех регламентируемых ГОСТом параметров шероховатости в одном поле зрения не менее чем в 10-20 раз. При этом значительно уменьшается утомляемость оператора благодаря ликвидации ручной, визуальной наводки на точки профиля поверхности.

Пример работы разработанного ИВК

Контроль качества исследуемого образца осуществляется по разработанной методике, включающей несколько этапов. Рассмотрим каждый из них отдельно.

Этап 1. Исходное изображение.

Исходное изображение получено видеокамерой и повернуто, чтобы обеспечить приблизительную горизонтальность интерференционных полос. Изображение введено в программу обработки в формате *.ВМР (рис. 5) с 256-градациями серого цвета.

Рис. 5. Исходное изображение

Этап 2. Выделение нужной полосы.

Оператор манипулятором «мышь» выделяет нужную интерференционную полосу (рис. 6) и включает режим фотометрирования.

Выделвкнв нужной полосы

Рис. 6. Выделение интерференционной полосы

Этап 3. Фотометрирование выделенной полосы.

Фотометрирование производится поиском минимума засветки по вертикали между линиями выделения для каждой горизонтальной координаты. Результат поиска представлен на рис. 7. Массив точек покоординатно записывается в память в виде таблично заданной функции. Эта функция также представлена на рис. 7.

Этап 4. Компенсация наклона, фильтрация шума сглаживание и определение основных характеристик полученной фотометрической кривой.

Компьютерная обработка кривой сводится к следующему. У табличной функция фотометрирования компенсируется наклон с помощью линейной аппроксимации, проводится фильтрация высокочастотных осцилляций путем усреднения по заданному промежутку. На рис. 8 показана сглаженная кривая и приведены отфильтрованные точки. Указаны базовая длина, линии выступов, линии впадин, линии среднего арифметического отклонения, обозначены выделенные неровности.

На графике (рис.8) выделены основные элементы в соответствии с ГОСТ 2789-73. Отфильтрованные точки оставлены на рисунке для сравнения.

Рис. 7. Выделение линии фотометрического минимума

с&едпяя линия пвоФипя

оиоизд длита

-;>- 1[  > - 1че .........: ;

линия впадин 2 ЗЭткгп

Рис. 8. .Фильтрованная и сглаженная кривая фотометрирования

Кривая представляет собой табулированную функцию, позволяющую вычислять все основные элементы, входящие в определение шероховатости поверхности: базовая длина, содержащая более 5 неровностей (выбрана длина 203 мкм); средняя линия профиля;

неровности профиля (отделены вертикальными чертами, пересекающими среднюю линию профиля и линию выступов);

выступы и впадины профиля в пределах неровности (выше и ниже средней линии); линии выступов профиля 2.84 мкм; линии впадин профиля 2.39 мкм; направление неровностей профиля;

шероховатость поверхности (прописан полный профиль поверхности в пределах базовой длины);

шаг неровностей профиля (обозначены все неровности в пределах базовой длины);

10. средний шаг неровностей профиля в пределах базовой длины 8т =19.1 мкм;

11. высота неровностей профиля в пределах базовой длины Я =2.86 мкм;

12. наибольшая высота профиля Яшах=2.84+2.39=5.23 мкм;

13. среднее арифметическое отклонение профиля Яа =±0.76 мкм.

Общее число неровностей в пределах базовой длины - 11.

1. 2.

3.

4.

5.

6. 7.

9.

Заключение

Предложенные принципы, алгоритмы, математические модели и проектные процедуры явились базой для создания соответствующего программно-алгоритмического обеспечения разработанного ИВК. Основываясь на данной работе, можно разрабатывать конкурентоспособное на рынке оборудование, которое позволит проводить качественный анализ микро- и наноструктур элементной базы отечественной электроники.

Литература

1. Scott Thompson, Mohsen Alavi, Makarem Hussein and ath. 130nm Logic Technology Featuring 60nm Transistors, Low-K Dielectrics, and Cu Interconnects. // Intel Technology Journal. 2002. V.6. №.2. Р. 5-13.

2. Мейеран Ю.С., Флинн П. А., Каррузерс Дж. Р. Аналитические методы в технологии СБИС. // ТИИЭР. 1987. Т. 75. № 7. С.50-101.