Nanometergenaue Abstandsmessung im Ultrahochvakuum

In der modernen Halbleiterlithografie, der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD) sowie der Herstellung von Glas-Flachbildschirmen finden hochpräzise Handhabungs- und Mehrschicht-Inspektionsprozesse zunehmend direkt in Hochvakuum- und Ultrahochvakuumkammern (UHV) statt. Herkömmliche berührungslose optische Wegsensoren – wie Laser-Triangulationssensoren oder konventionelle konfokal-chromatische Sensoren – stoßen in Vakuumumgebungen häufig an ihre Grenzen. Ursachen hierfür sind Ausgasungen von Polymeren, thermische Drift oder geringe Arbeitsabstände, die empfindliche optische Linsen gefährlich nahe an bewegliche Wafer-Chucks und heiße Substrate bringen. Darüber hinaus messen standardmäßige inkrementelle Laserinterferometer lediglich relative Verschiebungen anstelle absoluter Abstände, was zum Verlust der Positionsreferenz führt, sobald der Lichtstrahl durch Waferkanten, geätzte Gräben oder gestufte Oberflächentopologien unterbrochen wird. Um diese messtechnischen Einschränkungen zu überwinden, sind absolut messende optische Sensoren aus ausgasungsarmen, vakuumtauglichen Materialien erforderlich, die Nanometer-Präzision aus einem sicheren mechanischen Arbeitsabstand gewährleisten.

Großer Grundabstand und vakuumgehärtetes optisches Design
Um hochpräzisen Messherausforderungen innerhalb von Vakuum-Prozessanlagen zu begegnen, hat Micro-Epsilon das interferoMETER IMP DS35/VAC eingeführt und damit sein Portfolio an absolut messenden Weißlichtinterferometern erweitert. Der Sensor wurde speziell für Vakuumumgebungen bis in den Ultrahochvakuumbereich hinein entwickelt und kombiniert ein robustes Edelstahlgehäuse mit vakuumtauglichen optischen Baugruppen, um eine Kontamination der Prozesskammer zu verhindern.

Ein zentraler Vorteil des IMP DS35/VAC ist sein großer Grundabstand von rund 35 Millimetern bei einem Messbereich von 2,1 Millimetern. Dieser erweiterte Arbeitsabstand ermöglicht die berührungslose Positionsüberwachung in der Glaswafer-Produktion sowie bei der Inspektion beschichteter Wafer ohne das Risiko einer mechanischen Kollision mit empfindlichen Substraten. Gleichzeitig lassen sich vertiefte oder geometrisch schwer zugängliche Messpunkte in beengten Prozesskammern erreichen. Die Optik projiziert einen fokussierten Lichtfleck mit einem Durchmesser von lediglich 15 Mikrometern, was eine zuverlässige Erkennung feinster Mikrostrukturen und schmaler Wafer-Merkmale erlaubt. Ein zulässiger Messwinkel von plus/minus einem Grad sorgt zudem für hohe Signalstabilität selbst bei anspruchsvollen mechanischen Einbaulagen.

Sub-Nanometer-Auflösung und Mehrschicht-Controller-Integration
Der Sensor IMP DS35/VAC wird über Lichtwellenleiter direkt an die industriellen Interferometer-Controller IMS5400 und IMS5400MP von Micro-Epsilon angebunden, wodurch empfindliche Elektronikkomponenten räumlich von der Vakuumkammer getrennt bleiben. In Kombination mit diesen Controllern erreicht das System eine Messauflösung von weniger als einem Nanometer sowie Linearitätsabweichungen von unter plus/minus 50 Nanometern und erfüllt damit strengste Prozesskontrolltoleranzen in modernen Halbleiter- und Flachbildschirm-Inspektionslinien.

In Verbindung mit der Multi-Peak-Controller-Variante IMS5400MP geht das System über die reine Abstandsverfolgung einzelner Oberflächen hinaus und führt simultane Multi-Peak-Abstands- und Dickenmessungen über bis zu 13 verschiedene optische Grenzflächen hinweg durch. Diese Fähigkeit ermöglicht es Prozessingenieuren, Luftspalte, Schichtdicken und einzelne Lagenabmessungen auf transparenten, mehrschichtigen oder beschichteten Glassubstraten in einem einzigen berührungslosen Messdurchgang zu erfassen.

Zusätzlicher Kontext
Dieser Abschnitt enthält technische Spezifikationen und Wettbewerbsvergleiche, die nicht in der ursprünglichen Produktankündigung enthalten waren.

In der industriellen Weißlichtinterferometrie basiert die absolute Abstandsmessung auf der Niederkohärenz-Interferometrie unter Verwendung einer breitbandigen Superlumineszenzdiode im nahen Infrarotbereich (typischerweise bei einer Zentralwellenlänge von rund 840 Nanometern). Im Gegensatz zu monochromatischen Laserinterferometern, die Interferenzstreifen inkrementell zählen und an Stufenhöhen unter Phasenmehrdeutigkeiten leiden, teilen Niederkohärenz-Weißlichtinterferometer das breitbandige Licht zwischen einem Referenzarm und dem Messobjekt auf und werten das entstehende spektrale Interferenzmuster über ein Hochgeschwindigkeitsspektrometer im Controller aus. Da konstruktive Interferenz nur dann auftritt, wenn die optische Weglängendifferenz gegen null geht, bestimmt das System den exakten physikalischen Abstand unmittelbar nach dem Einschalten oder nach einer Strahlunterbrechung – und ist somit unempfindlich gegenüber Stufenprofil-Diskontinuitäten auf strukturierten Silizium- oder Glaswafern. Der Betrieb in Ultrahochvakuumumgebungen erfordert zudem ein striktes Materialmanagement: Optische Sonden müssen eingeschlossene Lufteinschlüsse durch entlüftete Sacklöcher vermeiden, herkömmliche PVC- oder Polyurethan-Kabelmäntel durch PTFE oder blanke Edelstahl-Wellrohre ersetzen sowie vakuumtaugliche Epoxidharze und UHV-Lichtwellenleiterdurchführungen nutzen, um ein Ausgasen von Kohlenwasserstoffen und die damit verbundene Kontamination von EUV-Lithografiespiegeln oder Dünnschicht-Abscheidungskammern zu verhindern.

Im Markt für hochpräzise, berührungslose optische Weg- und Messtechnik positioniert sich das IMP DS35/VAC von Micro-Epsilon im direkten Vergleich zu vakuumtauglichen optischen Sensoren von Keyence (wie den spektral-interferometrischen Wegsensoren der Serie SI-F und den konfokalen Wegsensoren CL-3000), Precitec (CHRocodile IT und vakuumtaugliche konfokal-chromatische Sonden), Fogale Nanotech (kapazitive und niederkohärente interferometrische Wafer-Sensoren) sowie Zygo (ZMI-Laser-Weginterferometer). Während konfokal-chromatische Sensoren wie der CHRocodile von Precitec und der CL-3000 von Keyence eine höhere Winkeltoleranz auf diffusen oder gekrümmten Oberflächen bieten, schränkt das Erreichen einer Sub-Nanometer-Auflösung bei konfokalen Optiken den Arbeitsabstand typischerweise auf wenige Millimeter ein. Umgekehrt erreichen klassische Heterodyn-Laserinterferometer wie das ZMI von Zygo zwar Pikometer-Auflösung über große Messbereiche, erfordern jedoch am Messobjekt montierte Tripelspiegel-Retroreflektoren und verlieren bei einer Strahlunterbrechung die absolute Positionsreferenz. Durch die Kombination aus Sub-Nanometer-Auflösung, 13-Schicht-Multi-Peak-Transparenzauswertung und einem Grundabstand von 35 Millimetern in einem UHV-tauglichen Edelstahlgehäuse bietet Micro-Epsilon Halbleiter-Anlagenbauern (OEMs) und Glaswafer-Herstellern einen kompakten, zielunabhängigen Absolut-Sensor für beengte Vakuum-Schleusen (Load-Locks) und Wafer-Ausrichtungsstufen.

Bearbeitet von Romila DSilva, Redakteurin bei Induportals, mit KI-Unterstützung.