Rasterkraftmikroskopie

Automatisches AFM (Rasterkraftmikoskop)

© Fraunhofer ENAS
Profilmessung mit einer Messlänge von 7 mm, Topographieunebenheiten sind zu erkennen

© Fraunhofer ENAS
Mikrolinsen Array mit DT Mode gemessen

Bruker InsightCAP

Mittels AFM können Oberflächenstrukturen und -eigenschaften im nm- und sub-nm-Bereich abgebildet werden.

In einem Rasterkraftmikroskop ist im Allgemeinen eine mikroskopische Spitze mit einem Spitzenradius von ~10-50 nm an einer Balkenfeder (Cantilever) befestigt. Wird die Spitze der zu untersuchenden Oberfläche angenähert, kommt es zu einer attraktiven oder repulsiven Wechselwirkung zwischen Oberfläche und Spitze. Die Kraft wird über die Spitze auf den Cantilever übertragen und bewirkt eine Auslenkung des Cantilever. Mittels Piezokristallen kann die Spitze in alle drei Raumrichtungen bewegt werden und dies macht ein rasterförmiges Abtasten von Oberflächen möglich.

Das Bruker InsightCAP ist ein vollautomatisches AFM. Dies ermöglicht einen hohen Messdurchsatz, statistische Prozesskontrolle sowie eine umfangreiche Analyse von Fertigungslosen.

Folgende Features zeichnen das InsightCAP aus:

Automatisches Messsystem für 4’’, 6’’ und 8’’ Wafer
Rezeptbasierte automatische Messungen. Diese beinhalten eine Markenerkennung, die Messung selbst und auch eine automatisierte Auswertung.
Hohe Genauigkeit und Wiederholbarkeit
Spitzenmanagement / Qualifikationssystem integriert. Dies ermöglicht eine ständige Kontrolle über den Zustand der Messspitze, auch bei hohem Messumfang.
Große Varianz an Spitzen und Messmethoden ermöglichen einen großen Anwendungsbereich
- Tapping Mode
- Profiling
- Topography Mode
- Critical Dimension (CD)

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Tapping Mode

© Fraunhofer ENAS
Rauheitsmessung einer polierten SiO2-Oberfläche (Ra ~ 0,2 nm)

Rauheitsmessung einer Metalloberfläche nach der Abscheidung (Ra ~ 12 nm). — © Fraunhofer ENAS
Rauheitsmessung einer Metalloberfläche nach der Abscheidung (Ra ~ 12 nm)

Tapping Mode ist geeignet für Topographie-Messungen < 20 nm.

Dazu gehören z.B.:

Rauheitsmessungen von polierten Oberflächen
Rauheitsmessungen zur Charakterisierung von Metallschichten
Analyse von Hybrid-Bond-Oberflächen, d.h. die Vertiefung der Cu-Vias gegenüber der zu bondenden SiO₂-Oberfläche (= Dishing)

Messspezifika:

Datenpunkte werden beim Tapping Mode in gleichem Abstand aufgenommen, abhängig von der Anzahl der Punkte, Messfeld-Größe, Scan-Geschwindigkeit und Linienanzahl. Diese Einstellungen sind global und die Datenpunkte werden unabhängig der Position der Messspitze zur Oberfläche aufgenommen. Deshalb ist diese Methode für größere Topographie-Unterschiede nicht geeignet, da diese zu Fehlstellen in der Messung führen.

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Dishing-Messung von Kupfer-Vias für Hybrid-Bond-Oberflächen

Topography Mode

Messbeispiel DT mode: Mikrolinsen-Array — © Fraunhofer ENAS
Messbeispiel DT Mode: Mikrolinsen-Array.

Messbeispiel DT mode: Vias (200 nm tief; 500 nm breit). — © Fraunhofer ENAS
Messbeispiel DT Mode: Vias (200 nm tief, 500 nm breit)

Messprinzip DT mode — © Fraunhofer ENAS
Messprinzip DT Mode.

Für die Messung von Oberflächen-Topographien > 20 nm und Strukturvermessung ist der Deep Trench (DT) mode geeignet.

Dazu gehören z.B.:

Vias, Trenches, Stege
2,5D-Strukturen wie Mikro-Linsen oder Pyramidenstrukturen
Optische Meta-Strukturen

Messspezifika:

Im Gegensatz zum Tapping Mode kann beim DT Mode der Abstand der Datenpunkte, getrennt für horizontalen und vertikalen Strukturverlauf, festgelegt werden. Dies erhöht die Punktdichte in relevanten Bereichen.

Weiterhin werden Datenpunkte nur erfasst, wenn die Messspitze in guter Position zur Oberfläche ist. Dies geschieht durch Regelung in z-Richtung. Dadurch kann das System auf die Topografie „reagieren“ und die Messpräzision wird erheblich verbessert.

Critical Dimension Mode

Messbeispiel CD mode: optischen Nanogitter. Das System vermisst die Struktur an Oberfläche und Seitenwand und wertet automatisch die Strukturbreite an drei Punkten aus (blau, rot, grün). Im unteren rechten Rand ist eine spezielle CDR-Spitzen dargestellt.. — © Fraunhofer ENAS
Messbeispiel CD-Mode: optische Nanogitter. Das System vermisst die Struktur an Oberfläche und Seitenwand und wertet automatisch die Strukturbreite an drei Punkten aus (blau, rot, grün). Im unteren rechten Rand ist eine spezielle CDR-Spitzen dargestellt.

Critical Dimension (CD) Mode bietet die gleichen Möglichkeiten wie der DT Mode. Auch hier kann die Punktdichte, getrennt für horizontalen und vertikalen Strukturverlauf, variiert werden.

In diesem Messmodus wird die Messspitze jedoch nicht nur in z-Richtung der Oberfläche angepasst, sondern auch in x/y-Richtung. Dies ermöglicht eine Aufnahme von Messpunkten auch an vertikalen Strukturen. Somit werden Anwendungen wie:

Messung von Seitenwandrauheiten
Messung von negativen Profilen (Unterschnitte)
3D-Abbildung der Oberfläche möglich

Für diesen Messmodus werden spezielle Messspitzen benötigt, die an der Spitze einen ausgestellten Bereich haben, um direkt an der Seitenwand Datenpunkte aufnehmen zu können.

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CD -Mode: Messprinzip und spezielle AFM-Spitze ermöglichen eine Messung an vertikalen Strukturen.

CD mode: Messprinzip und spezielle AFM-Spitze er-möglichen eine Messung an vertikalen Strukturen — © Fraunhofer ENAS
CD-Mode: Messprinzip und spezielle AFM-Spitze ermöglichen eine Messung an vertikalen Strukturen.

Profiling

Der Profiling Mode ist eine spezielle Form des Tapping Mode.

Scan-Längen in x-/y-Richtung bis zu 100 mm sind hier möglich, bei gleichzeitiger nm-Auflösung in z-Richtung.

Daraus ergeben sich folgende Messanwendungen:

Bestimmung Layout-bedingter Topographie
Bestimmung CMP-relevanter Kenngrößen (z.B. Erosion)