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Caractérisation de l'évolution de la forme et de la texture d'une tranche de silicium induite par la température

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L'utilisation de la chambre de contrôle de la température de précision de Linkam avec l'objectif Linnik de Sensofar élimine ces problèmes et permet une mesure précise des profils topographiques 3D des matériaux à l'échelle nanométrique

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Dans cette étude de cas, Linkam et Sensofar Metrology démontrent leur collaboration dans la production d'un dispositif expérimental pour les expériences de profilométrie optique à température contrôlée. Historiquement, cette procédure s'est avérée difficile en raison des problèmes d'imagerie causés par les aberrations sphériques. L'utilisation de la chambre de contrôle de température de précision de Linkam avec l'objectif Linnik de Sensofar élimine ces problèmes et permet une mesure précise des profils topographiques 3D des matériaux à l'échelle nanométrique. Ici, nous observons les changements de la topographie des tranches de silicium lorsqu'elles évoluent avec les températures de 20°C à 380°C.

Le traitement thermique rapide (RTP) est une étape importante du processus de fabrication des tranches de silicium, au cours de laquelle la tranche est chauffée rapidement à des températures élevées pendant une courte période, puis refroidie lentement de manière contrôlée, afin de lui conférer les propriétés semi-conductrices souhaitées. Cependant, le RTP, provoque un stress thermique qui entraîne d'autres problèmes en photolithographie pouvant affecter les performances du dispositif, comme la rupture due à un choc thermique ou la dislocation du réseau moléculaire. Comprendre le comportement d'une plaquette dans ces conditions peut aider à optimiser le processus, à améliorer les propriétés des semi-conducteurs et la durabilité des plaquettes.

Une méthode clé pour évaluer les effets des changements de température pendant la fabrication des plaquettes consiste à mesurer la rugosité de surface de la plaquette en fonction de la température. Pour ce faire, la rugosité de la surface est observée par une technique d'interférométrie en conjonction avec l'utilisation d'une chambre thermique, permettant d'augmenter précisément la température à des valeurs similaires à celles du processus de fabrication tout en observant l'échantillon par microscopie.

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Figure 1. Plaquette de silicium à motifs

Plusieurs facteurs introduisent une certaine complexité dans l'obtention de ces mesures interférométriques. Tout d'abord, afin de visualiser l'échantillon et d'obtenir les données tout en contrôlant avec précision la température dans la chambre, il est nécessaire de faire des observations à travers la fenêtre optique de la chambre. Cette fenêtre a une épaisseur de 0,5 mm, mais dans certains cas, elle peut atteindre 1 mm, en fonction du degré d'isolation thermique requis. Cette fenêtre, étant d'un indice de réfraction différent de celui de l'air, introduirait des aberrations optiques et des désalignements qui, lors de l'analyse des plaquettes de silicium, doivent être corrigés afin d'obtenir des données fiables. De plus, lorsque la température à l'intérieur de la chambre augmente, la chaleur est émise vers l'extérieur par la fenêtre d'observation, ce qui n'est pas idéal pour la microscopie optique. Dans l'air proche de cette fenêtre, la température peut atteindre 60 degrés Celsius, ce qui peut entraîner une déformation de l'objectif et introduire des aberrations.

Pour résoudre les problèmes expérimentaux de l'interférométrie à des températures variables, on peut utiliser un interféromètre de Linnik. L'interféromètre de Linnik introduit l'utilisation d'une optique de mesure dans le bras de référence d'un interféromètre classique. Cela permet de compenser et de corriger l'effet de la fenêtre optique, comme la dispersion chromatique et les aberrations optiques, ce qui permet de travailler avec des objectifs à fond clair qui ont une distance de travail plus grande que les objectifs interférométriques traditionnels.

Dans ce travail, nous étudions l'effet du procédé RTP sur les plaquettes de silicium tout en tenant compte des aberrations optiques provoquées par les changements de température. Deux échantillons différents ont été utilisés, correspondant à des conceptions de puces différentes à partir de tranches de silicium. L'échantillon A mesurait 2,8 mm x 1 mm, tandis que l'échantillon B mesurait 3,0 mm x 2,35 mm. Les tranches de silicium présentent des valeurs de rugosité de surface typiques à l'échelle submicronique, de sorte que la technologie optique idéale pour cette application est l'interférométrie à balayage de cohérence (CSI, ISO 25178, partie 604). La CSI offre seulement 1 nm de bruit de système, quel que soit le grossissement de l'objectif utilisé.

Pour la conception et la construction de l'objectif Linnik, deux objectifs Nikon 10x EPI (Nikon, MUE12100) avec une distance de travail de 17,5 mm ont été utilisés. La même configuration est disponible avec des objectifs 10xSLWD (Nikon, MUE31100), offrant une distance de travail de 37 mm. Ainsi, les émissions thermiques de la caméra sont presque imperceptibles pour l'objectif et n'affectent ni ne détériorent la qualité des mesures. L'objectif Linnik a été monté sur le profilomètre optique 3D (Sensofar, S neox), qui combine 4 technologies optiques dans la même tête de capteur : Confocal, CSI, PSI et variation de focalisation. Ces techniques sont couvertes par la norme ISO 25178.

La température est contrôlée à l'aide d'une chambre Linkam LTS420 et du contrôleur de température T96, qui permet de faire varier et de contrôler la température entre -195° et 420°C avec une précision de 0,01°C, tandis que la rugosité de l'échantillon est observée à travers la fenêtre de la chambre. La chambre permet également de contrôler la pression et l'humidité, mais cela n'a pas été étudié dans cette étude.

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Figure 2. Configuration expérimentale de Linkam LTS420 et de Sensofar Linnik). Schéma de la configuration optique Linnik

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L'échantillon de plaquette a été placé dans la chambre Linkam sous le profileur optique S neox avec la configuration Linnik. La routine d'acquisition a consisté à faire passer la température de 30°C à 380°C par paliers de 50°C, en prenant 8 mesures topographiques de l'échantillon à chaque palier. Cette procédure a été répétée pour trois échantillons.

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Figure 3. Graphique temps-température montrant les étapes de température auxquelles les mesures optiques ont été effectuées.

A l'aide du logiciel SensoMAP, les résultats ont été visualisés et analysés en créant un modèle et en l'appliquant à tous les échantillons. Le modèle permet d'extraire 3 profils dans chaque topographie (horizontale, diagonale et verticale) et de les représenter dans le même graphique. Il permet également de construire une séquence des topographies pour l'exporter sous forme de vidéo et la représenter dans un graphique 4D.

Deux images topographiques du même échantillon ont été prises à l'aide de la méthodologie ci-dessus et sont présentées à la figure 5 sous forme de cartes de hauteur bidimensionnelles. Les trois lignes pleines représentent les trois différents profils (horizontal, vertical et diagonal) extraits pour chaque topographie. Les profils dans chaque direction sont présentés dans la Figure 6, où l'on peut voir l'évolution pour les différentes températures auxquelles l'échantillon a été prélevé. Les images montrent qu'en chauffant l'échantillon, sa topographie change.

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Figure 4. Cartes de hauteur bidimensionnelles montrant la topographie de l'échantillon A à (a) 30ºC et (b) 80ºC. Les lignes noires indiquent les trois directions dans lesquelles les profils ont été pris pour des études ultérieures.

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Figure 5. (a) Profils horizontaux, (b) diagonaux, et (c) verticaux extraits des mesures de l'échantillon A à huit températures différentes.

Les données peuvent être reportées dans une image topographique 3D, comme le montre la figure 7. En empilant les images 3D en fonction de la température, on crée un "tracé 4D", montrant les changements topographiques à différentes températures en utilisant la même échelle de couleurs de hauteur, montrant comment les échantillons se courbent en fonction des changements de température. Il est clair que plus la température est élevée, plus la flexion subie par les échantillons est importante.

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Figure 6. Vue 4D empilée des topographies extraites de (a) l'échantillon A et (b) l'échantillon B pour une comparaison visuelle du changement de courbure expérimenté lorsque les échantillons passent de 30 ºC à 380 ºC.

Pour quantifier la courbure des échantillons, deux paramètres différents ont été utilisés. Le premier est Sz, qui est le paramètre de rugosité de surface pour la hauteur maximale d'une surface selon la norme ISO 25178. Le second est Wz, qui correspond à la contrepartie de Sz dans l'analyse du profil (ISO 4287). Sz et Wz ont été obtenus après avoir appliqué un filtre S à la surface (ou au profil) avec une coupure de 0,8 mm. De cette façon, seules les grandes longueurs d'onde spatiales restent sur la surface, ce qui élimine la rugosité et ne laisse que l'ondulation pour l'analyse de l'arc.

Les paramètres résultants pour les échantillons A et B sont représentés sur la figure 9. Pour l'échantillon A, on observe une relation quasi-linéaire entre l'arc et la température jusqu'à 180ºC, qui se stabilise de 180ºC à 380ºC. D'autre part, l'échantillon B n'a pas montré de changement remarquable de l'arc jusqu'à ce qu'il dépasse 230ºC.

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Figure 7. Évolution de l'arc dans (a) l'échantillon A et (b) l'échantillon B en fonction de la température. Les paramètres d'ondulation Wz ont été extraits des profils horizontaux, diagonaux et verticaux de la Figure 5. Le paramètre de rugosité Sz a été calculé à partir de la surface après application d'un filtre S de 0,8 mm.

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Figure 8. (a),(b) Topographies de rugosité filtrées de l'échantillon A (ci-dessus) et de l'échantillon B (ci-dessous) à 30 ºC et 380ºC respectivement. Filtre S 2,5 μm, filtre L 0,8 mm. (c),(d) Paramètres de hauteur et de rugosité hybride des topographies (a) et (b) respectivement.

La faisabilité de la configuration proposée a été prouvée pour réaliser avec succès des mesures de rugosité et d'ondulation à différentes températures. Deux comportements différents de la topographie de surface ont été observés en fonction de la conception de la puce. L'échantillon A a montré un comportement de flexion précoce lors du chauffage de l'échantillon, tandis que l'échantillon B a montré la flexion à un stade plus tardif.

Le profileur optique 3D S neox avec un objectif Linnik s'est avéré être le complément parfait de la chambre LTS420 de Linkam pour effectuer de telles mesures expérimentales. De plus, différents objectifs à fond clair sont compatibles avec la configuration Linnik, offrant des distances de travail jusqu'à 37 mm et des grossissements jusqu'à 100x pour les applications qui nécessitent une haute résolution latérale.

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