Partikelmessung

Partikel gehören zu den kritischsten Defektquellen in der Halbleiterfertigung. Bereits ein einzelner Partikel im Sub-Mikrometerbereich kann, sofern er auf einer aktiven Struktur liegt, zu einem Kurzschluss, einer offenen Leitung oder einem sonstigen elektrischen Defekt führen und damit einen kompletten Chip funktionsunfähig machen. Da moderne Strukturbreiten mittlerweile im einstelligen Nanometerbereich liegen, muss die Kontamination des Wafers mit Partikeln kontinuierlich überwacht werden.

Partikel können aus unterschiedlichsten Quellen stammen: aus der Umgebungsluft des Reinraums, von Anlagenkomponenten (z.B. abgeplatzte Beschichtungen, Dichtungsabrieb), aus Prozessgasen und -chemikalien oder auch vom Wafer selbst (z.B. Kristalldefekte, die an der Oberfläche zutage treten). Um die Ursache eingrenzen zu können und die Reinraumqualität sowie die Anlagenperformance sicherzustellen, werden Wafer nach kritischen Prozessschritten auf ihre Partikelbelastung hin überprüft.

Die gängigste Methode zur Partikeldetektion nutzt, ähnlich wie einige Schichtdickenmessverfahren, die Wechselwirkung von Licht mit der Waferoberfläche. Da Partikel jedoch keine großflächigen, homogenen Schichten bilden, sondern punktuelle Störstellen darstellen, kommt hier nicht die Interferenz oder Polarisation reflektierten Lichts zum Einsatz, sondern die Streuung von Licht an kleinen Objekten.

Bei der Laser-Streulichtmessung (Laser Scattering) wird die Waferoberfläche mit einem fokussierten Laserstrahl systematisch abgerastert. Trifft der Strahl auf eine ebene, defektfreie Fläche, wird das Licht weitgehend gerichtet reflektiert. Befindet sich an der betreffenden Stelle jedoch ein Partikel, ein Kratzer oder eine andere topografische Unregelmäßigkeit, wird das Licht in nahezu alle Richtungen gestreut.

Prinzip der Streulichtmessung an einem Partikel

Ein oder mehrere Detektoren, die außerhalb des direkten Reflexionswegs positioniert sind, erfassen dieses Streulicht. Aus der Intensität des gestreuten Lichts lässt sich näherungsweise die Partikelgröße berechnen – typischerweise wird diese jedoch nicht als tatsächliche physikalische Ausdehnung angegeben, sondern als sogenannte Latex Sphere Equivalent (LSE)-Größe, also als die Größe einer Referenzkugel (meist Polystyrol-Latex), die dieselbe Streulichtintensität erzeugen würde.

Da unterschiedliche Materialien (Metall, Photoresist, Kristallsplitter etc.) das Licht verschieden stark streuen, weicht die reale Partikelgröße oft von der gemessenen LSE-Größe ab. Moderne Systeme nutzen daher häufig mehrere Wellenlängen und Detektionswinkel gleichzeitig (Multi-Channel- bzw. Multi-Angle-Scattering), um neben der Größe auch erste Rückschlüsse auf die Partikelart zu ermöglichen.

Die erreichbare Nachweisgrenze liegt bei modernen Inspektionssystemen im Bereich von etwa 20–30 nm (LSE), wobei die tatsächliche Empfindlichkeit stark von der Waferoberfläche (Filmstruktur, Rauheit, Reflektivität) und der verwendeten Wellenlänge abhängt. Strukturierte Wafer mit vorhandenen Bauteilen (Pattern-Wafer) sind grundsätzlich schwieriger zu inspizieren als unstrukturierte Wafer (Blanket-Wafer), da Strukturkanten selbst Licht streuen und dadurch fälschlich als Partikel erkannt werden können. Da die regulären Strukturen der Chips sich auf dem Wafer jedoch mehrfach wiederholen, können diese von zufällig platzierten Partikeln unterschieden werden.