Wafer- und Chipanalyse im Labor: Digitalmikroskopie vor REM, FIB und Elementanalyse

In einem zentralen Analyselabor für Wafer und Chips ist selten strittig, ob sich eine Probe überhaupt untersuchen lässt. Die Geräte dafür stehen im Haus: Rasterelektronenmikroskope, in größeren Laboren zusätzlich ein Transmissionselektronenmikroskop, eine FIB-Anlage, Computertomographie und ein ganzes Regal Lichtmikroskope in der Probenpräparation. Was knapp ist, sind Strahlzeit, Personal und die Tage, die vergehen, bis Bilder und Befunde beim Auftraggeber ankommen. Genau dort setzt ein Digitalmikroskop an, und zwar nicht als kleinere Ausgabe des Elektronenmikroskops, sondern als schneller erster Blick, der entscheidet, welche Probe den teuren Weg überhaupt gehen muss.

Wichtige Punkte im Überblick

  • Der Engpass im Analyselabor ist selten das Auflösungsvermögen, sondern Strahlzeit, Personal und die Tage bis zum Befund, und ein Labor mit mehreren Elektronenmikroskopen beschreibt trotzdem den Durchsatz als sein eigentliches Problem.
  • Ein Digitalmikroskop ersetzt das Rasterelektronenmikroskop nicht, sondern sitzt davor: Der optische Durchgang klärt, ob es einen Befund gibt und wo er sitzt, während feinste Strukturdetails, Kontraste unterhalb der optischen Grenze und quantitative Zusammensetzungsfragen dem Elektronenstrahl vorbehalten bleiben.
  • Das meistgenannte einzelne Merkmal in diesen Laboren ist das Schwenken, weil die Probe im Halter bleibt und die Optik die Schrägperspektive einnimmt, in der eine Bruchkante, eine Flanke oder eine Ablösung erst sichtbar wird.
  • Eine bereits geschliffene Probe lässt sich vor dem nächsten Einbau daraufhin prüfen, ob weit genug abgetragen wurde, und in einem dokumentierten Labor ist genau diese Zwischenkontrolle die zentrale Aufgabe des Arbeitsplatzes, weil ein vergeblicher Durchgang im Strahl teurer ist.
  • Eine optionale Elementanalyse am Digitalmikroskop klärt am selben Arbeitsplatz, woraus ein Partikel, ein Belag oder eine Verfärbung besteht, stößt aber dort an ihre Grenze, wo eine sehr dünne Schicht vorliegt, die Probe unberührt bleiben muss oder eine quantitative Zusammensetzung auf dem Niveau einer eingespielten elektronenmikroskopischen Analyse verlangt wird.

Der Engpass im Analyselabor ist selten das Auflösungsvermögen

In dokumentierten Laboren stockt die Arbeit nicht am Verfahren. Ein Labor kommt mit seinen FIB-Schnitten nicht hinterher, weil Personal fehlt. Ein anderes braucht regelmäßig mehrere Tage, bis Aufnahmen zu einer Probe vorliegen, und begründet das ausdrücklich auch mit der Organisation und nicht nur mit der Technik. Ein drittes betreibt mehrere Elektronenmikroskope und viele Lichtmikroskope nebeneinander und beschreibt trotzdem den Durchsatz als sein eigentliches Problem.

Damit verschiebt sich die Frage. Sie lautet nicht mehr, welches Gerät die höchste Auflösung liefert, sondern wie viele Proben im Strahl landen, deren Frage vorher schon zu beantworten gewesen wäre. In mehreren dokumentierten Laboren ist neben dem REM eine zweistellige Zahl Lichtmikroskope in Betrieb.

Vorauswahl treffen: welche Probe überhaupt ins REM muss

Eine Vorauswahl ist kein Qualitätsverzicht, sondern eine Sortierung nach der Frage, die tatsächlich gestellt wird. Drei Prüfungen reichen dafür in den meisten Fällen aus:

  • Gibt es überhaupt einen Befund, und wo sitzt er? Eine Übersicht der ganzen Probe, bei Bedarf per Stitching zusammengesetzt, beantwortet das in Minuten und liefert gleich die Koordinate für den späteren Schritt.
  • Löst sich der Befund optisch auf? In dokumentierten Anwendungen arbeiten diese Labore im Bereich mehrerer hundert bis einiger tausend Vergrößerungen. Vieles, was heute in den Strahl geht, ist dort bereits eindeutig.
  • Braucht die Frage die Auflösung oder die Analytik des Elektronenstrahls? Feinste Strukturdetails, Kontraste unterhalb der optischen Grenze und quantitative Zusammensetzungsfragen bleiben dem REM vorbehalten.

Der umgekehrte Weg gehört ebenfalls dazu. Eine bereits geschliffene Probe lässt sich vor dem nächsten Einbau prüfen, ob weit genug abgetragen wurde. In einem dokumentierten Labor ist genau das die zentrale Aufgabe des Arbeitsplatzes, weil ein vergeblicher Durchgang im Strahl teurer ist als die Kontrolle davor.

Probe im Halter beurteilen: Schwenken, Übersicht und Position festhalten

Waferbruchstücke sitzen im Probenhalter des REM oder TEM, und jedes Ausbauen und Neuausrichten kostet Zeit und gefährdet ein Stück, von dem es kein zweites gibt. Deshalb ist das Schwenken in diesen Projekten das meistgenannte einzelne Merkmal: Die Probe bleibt, wo sie ist, und die Optik nimmt die Schrägperspektive ein, in der eine Bruchkante, eine Flanke oder eine Ablösung erst sichtbar wird.

Zwei weitere Punkte gehören zum selben Arbeitsschritt. Stitching setzt aus vielen Einzelbildern eine Übersicht des Bruchstücks zusammen, in der sich die Fundstelle eindeutig verorten lässt. Und gespeicherte Positionen, die ein motorisiertes Stativ automatisch wieder anfährt, sorgen dafür, dass dieselbe Probe beim zweiten Mal genauso abgefahren wird wie beim ersten. In dokumentierten Anwendungen ist das der Punkt, an dem eine Kontrolle von einer Person auf eine Vorschrift übergeht.

Kratzer, Bruchkanten und Fehlstellen am Wafer dokumentieren

Die Befunde, um die es geht, sind gut umrissen: Kratzer aus dem Handling, Bruch und Bruchkanten, Fehlstellen in der Struktur, Delamination, ungleichmäßig aufgetragene Beschichtungen, Ätzfehler, Verfärbungen. Silizium-, Glas-, Tantalat- und Niobatwafer von 100 mm bis 300 mm gehören ebenso dazu wie Chipflächen von wenigen Quadratzentimetern und Bruchstücke, die nur noch als Scherbe vorliegen.

Eine Bruchkante ist nichts Ebenes. Ohne Tiefenzusammensetzung zerfällt sie in zwei unscharfe Ebenen, und was fehlt, ist genau der Verlauf, an dem sich ein Sprödbruch von einer mechanischen Beschädigung unterscheiden lässt. Mit einer Bildserie über den Höhenbereich entsteht stattdessen eine durchgehend scharfe Aufnahme, die den Befund als Ganzes zeigt. Ob ein Wafer dagegen im Handling an der Station sofort auszusortieren ist, wird in der Linie entschieden und nicht im Labor.

Reflexionen auf Silizium und Glas beherrschen

Ein polierter Wafer ist ein Spiegel, und ein Glaswafer schickt zusätzlich Licht durch sich hindurch. In dokumentierten Anwendungen ist die Blendung der am häufigsten genannte Grund, warum vorhandene Aufnahmen nicht brauchbar sind.

Gegen Reflexionen hilft nicht mehr Licht, sondern anderes Licht. Wechselnde Beleuchtungsrichtung, Dunkelfeld für flache Kratzer, polarisiertes Licht gegen den Spiegelanteil und die Glanzentfernung in der Aufnahme sind die Hebel, die in diesen Anwendungen greifen. Wichtiger als die einzelne Einstellung ist, dass sie gespeichert wird: Nur dann liefert die zweite Aufnahme dasselbe Bild wie die erste, und nur dann lassen sich zwei Proben überhaupt vergleichen.

Materialfrage: wann eine Elementanalyse am Digitalmikroskop reicht und wann nicht

Bleibt ein Belag, ein Partikel oder eine Verfärbung übrig, wird aus der Bildfrage eine Materialfrage. Eine optionale Elementanalyse am Digitalmikroskop beantwortet sie am selben Arbeitsplatz und erspart in vielen Fällen einen kompletten Durchgang im REM, etwa wenn nur zu klären ist, ob eine Ablagerung aus dem eigenen Prozess stammt oder von außen eingetragen wurde.

Ihre Grenzen sind in denselben Anwendungen dokumentiert und gehören in jede ehrliche Einordnung. Zwei Halbleiterlabore mit eingespielter elektronenmikroskopischer Analyse beurteilen die Genauigkeit für ihre Fragestellungen als nicht ausreichend. In einem Fall schied das Verfahren aus, weil es der Probe zu nahe kommt und diese unberührt bleiben musste. In einem weiteren Fall lag die zu bestimmende Schicht zu dünn, um sauber zugeordnet zu werden. Wo eine quantitative Zusammensetzung auf dem Niveau einer etablierten REM-gestützten Analyse verlangt wird, ist das Digitalmikroskop nicht die Antwort.

Reinraum, Handhabung und zerstörungsfreies Arbeiten

Die Aufstellung entscheidet in diesen Laboren häufiger als die Spezifikation. In einer dokumentierten Anwendung braucht der Reinraum einen eigenen Analysearbeitsplatz, weil das vorhandene Equipment ihn nicht betreten darf und ein Gerät außerhalb für die Aufgabe wertlos wäre. In einem anderen Fall gehört das Mikroskop direkt in den Reinraum, weil die Proben ihn nicht verlassen.

Dazu kommt die Handhabung selbst. Ein Waferbruchstück aus einer verschrotteten Charge ist ein Unikat, ein FIB-Schnitt ist Stunden Arbeit, und beides verträgt kein Antasten. Der optische Weg bleibt deshalb durchgängig berührungslos und zerstörungsfrei, und er lässt die Probe in dem Zustand, in dem der nächste Schritt sie braucht.

Ergebnisse zusammenführen: ein Bericht statt vier Geräteausgaben

Am Ende einer Untersuchung liegen in vielen Laboren vier Ausgaben nebeneinander: Bilder aus dem Lichtmikroskop, Bilder aus dem REM, Messwerte aus einem dritten Gerät und eine Textdatei mit Notizen. Das Zusammenkopieren von Hand ist der Teil, der die Durchlaufzeit verlängert, ohne einen einzigen Erkenntnisgewinn zu bringen. Sinnvoll ist deshalb, den optischen Anteil samt Maßstab, Position auf der Probe und Messwerten direkt in einen Prüfbericht laufen zu lassen.

Wo das Labor eine eigene Auswertesoftware betreibt, kommt eine zweite Anforderung dazu. In mehreren Projekten soll das Mikroskop aus der Kundensoftware heraus angesteuert werden, damit definierte Bereiche automatisch abgefahren werden und die Ergebnisse dort landen, wo sie ohnehin ausgewertet werden. Und wenn sich am Ende zeigt, dass der Befund keine Sichtbarkeit ist, sondern eine Höhe, eine Tiefe oder eine Rauheit, übernimmt das 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X. Wie diese Messwerte als Diagnose gelesen werden, beschreibt der Beitrag „Stufenhöhe, Ätztiefe und Rauheit an Halbleiterstrukturen messen: Prozessfehler eingrenzen".

Häufige Fragen

F Ersetzt ein Digitalmikroskop das Rasterelektronenmikroskop im Analyselabor?

A

Nein, es sitzt davor. Feinste Strukturdetails, Kontraste unterhalb der optischen Grenze und quantitative Zusammensetzungsfragen bleiben Aufgabe des REM. Der Nutzen liegt in der Vorauswahl: Ein schneller optischer Durchgang klärt, ob es einen Befund gibt, wo er sitzt und ob er sich optisch bereits auflöst, sodass nur noch die Proben in den Strahl gehen, die ihn wirklich brauchen.

F Warum ist Schwenken in einem Labor mit REM und FIB so wichtig?

A

Weil die Probe im Halter bleiben soll. Waferbruchstücke und geschliffene Proben sind aufwendig ausgerichtet, oft Unikate und empfindlich gegen jedes erneute Handling. Wenn stattdessen die Optik die Schrägperspektive einnimmt, werden Bruchkanten, Flanken und Ablösungen sichtbar, ohne dass die Probe angefasst wird.

F Wie lässt sich prüfen, ob eine Probe weit genug geschliffen ist?

A

Optisch, bevor sie zurück in den Strahl geht. Eine Aufnahme der Schlifffläche mit Tiefenzusammensetzung zeigt, ob die interessierende Ebene erreicht ist. In dokumentierten Laboren ist genau diese Zwischenkontrolle eine zentrale Aufgabe des Arbeitsplatzes, weil ein vergeblicher Durchgang im Elektronenmikroskop teurer ist als die Prüfung davor.

F Was leistet eine Elementanalyse am Digitalmikroskop bei Wafern und Chips?

A

Sie klärt am selben Arbeitsplatz, woraus ein Partikel, ein Belag oder eine Verfärbung besteht, und trennt damit Eintrag von außen und Material aus dem eigenen Prozess. In der Anwendungspraxis zeigen sich auch Grenzen: Labore mit eingespielter elektronenmikroskopischer Analyse beurteilen die Genauigkeit für manche Fragestellungen als nicht ausreichend, sehr dünne Schichten lassen sich unter Umständen nicht sauber zuordnen, und an Proben, die unberührt bleiben müssen, scheidet das Verfahren aus.

F Wie bekommt man auf spiegelnden Wafern brauchbare Aufnahmen?

A

Über die Beleuchtung, nicht über mehr Licht. Wechselnde Beleuchtungsrichtung, Dunkelfeld für flache Kratzer, polarisiertes Licht gegen den Spiegelanteil und die Glanzentfernung in der Aufnahme sind die wirksamen Hebel auf Silizium und Glas. Damit zwei Proben vergleichbar bleiben, gehören die gefundenen Einstellungen gespeichert und wiederverwendet.

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