100GigE Kameras für die digitale holografische Mikroskopie
100GigE trotzt Vibrationen
Das Advanced Research Center for Nanolithography (ARCNL) in Amsterdam, hat sich extremen wissenschaftlichen Herausforderungen in der Halbleiterindustrie gewidmet. Neue Experimente des Instituts stützen sich dabei auf die 100GigE Kameras von Emergent Vision, um Vibrationsprobleme in einem neuartigen Overlay-Messtechnik-Konzept zu minimieren.
Bild: Emergent Vision TechnologiesIn der Welt der Halbleiterfertigung können selbst kleinste Vibrationen zu großen Problemen führen - etwa dazu, dass bereits verarbeitete Wafer im Wert von Tausenden von Dollar verworfen werden müssen. Um zukünftige technische Herausforderungen in der Chip-Herstellung zu lösen, hat das ARCNL ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die inhärenten Empfindlichkeiten in jenen interferometrischen Techniken überwinden lassen, die Gerätehersteller benötigen, um die Genauigkeit in der Chip-Produktion sicherzustellen.
Digital holografisches Mikroskop
Da die Strukturgrößen in integrierten Schaltkreisen weiter schrumpfen, hat sich die digitale holografische Mikroskopie (DHM) als vielversprechende interferometrische Messtechnik für zukünftige Overlay-Messungen erwiesen. DHM kann eingesetzt werden, um die Genauigkeit der Schichtausrichtung auf Halbleiterwafern zu bestimmen. Allerdings ist diese Technik empfindlich gegenüber unerwünschten Phasenschwankungen, die durch mechanische Vibrationen und Luftturbulenzen hervorgerufen werden und zu Verzerrungen der Bildqualität führen. "Im Labor funktioniert DHM bereits sehr gut, doch in der Praxis ist es schwierig", erklärt Tamar Cromwijk, Forscherin am ARCNL. In einer Hochdurchsatz-Produktionsumgebung bewegt sich ein Halbleiterwafer in einem Messgerät mit rasch wechselnden Geschwindigkeiten und erfährt dadurch starke Beschleunigungen. "Das ist eine technische Herausforderung, die wir lösen müssen. Man möchte die Messtechnik so schnell wie möglich durchführen und muss daher anfangen zu messen, während mechanische Vibrationen noch vorhanden sind", so Cromwijk. Andere Erschütterungen, etwa durch Temperaturschwankungen oder Ventilatorbewegungen, verschärfen das Problem. "All das trägt zu einer gesamten Phasenschwankung bei, die die Messqualität mindert - und genau das versuchen wir zu kompensieren." Gemeinsam mit dem Dutch Research Council sowie der Universität von Amsterdam, der Vrije Universiteit und der Universität Groningen arbeitet das ARCNL mit einem Gerätehersteller zusammen, der großes Potenzial in der DHM sieht, sofern deren Beschränkungen überwunden werden können.
Bild: Emergent Vision Technologies100GigE-Kamera für Korrekturen
Um den durch Vibrationen verursachten Kontrastverlust zu beheben, hat das ARCNL eine Methode auf Basis einer Highspeed-basierten rechnerischen Korrektur entwickelt. Dabei kommt eine Hochgeschwindigkeitskamera zum Einsatz, die eine Sequenz digitaler Hologramme aufzeichnet, um Vibrationen als Funktion der Zeit zu verfolgen. Durch das Nachverfolgen und Interpolieren der Phasenänderungen zwischen den Einzelaufnahmen kann das System den Verlust des Bildkontrasts in den Hologrammen kompensieren. Letztlich führt das zu einer verbesserten Bildgebung für präzisere Overlay-Messungen. "Wenn wir die Phase über die Zeit hinweg verfolgen, können wir sie nachträglich korrigieren. Wir können allerdings nur erfassen, wie sich die Vibrationen verhalten haben, wenn wir schneller messen, als die Vibration selbst auftritt", betont Cromwijk. "Deshalb benötigen wir die Highspeed-Kamera, um das Verhalten der Vibrationsphase zu isolieren und zu verfolgen."
Sowohl im experimentellen Interferometer-Aufbau als auch im Setup zur Vibrationskompensation bei der DHM verwendet das Forschungsteam eine HZ-2000-G-M-100GigE-Kamera von Emergent Vision, die mit einem Gpixel Gsprint4502 CMOS-Bildsensor ausgestattet ist. Bei voller Auflösung (2.048×1.216 Pixel) erreicht die Kamera im 8-Bit-Modus 3.462fps und im 10-Bit-Modus 1.782fps. Für ihre Arbeiten betreiben die Forschenden die Kamera bei 1.000fps im 10-Bit-Modus. Sowohl die hohe Geschwindigkeit als auch die hohe Auflösung der Kamera sind für diese Experimente entscheidend, sagt Cromwijk: "Wir haben einen 2,5MP Sensor und können diese Informationen mit sehr hoher Geschwindigkeit auslesen, was nicht jede Kamera kann. Es ist die Kombination aus Geschwindigkeit, Auflösung durch die kleinen Pixel und der Möglichkeit, 250 Bilder in einem Buffer zu erfassen, sodass wir über einen relativ langen Zeitraum messen können." Auch die kompakte Bauform der Kamera ist wichtig. Das ARCNL-Team habe andere Highspeed-Kameras in Betracht gezogen, die jedoch nicht nur sehr teuer gewesen seien, sondern auch äußerst groß. "Wir können sie nicht in einem Breadboard unterbringen, und wir möchten zeigen, dass unsere Lösung kostengünstig ist, ohne an Leistung einzubüßen", erklärt Cromwijk.
DHM-Aufbau
Zunächst überprüfte das ARCNL das Konzept ihrer Vibrationskompensationsmethode an einem einfachen Michelson-Interferometer. Dabei wird das Licht einer weiß emittierenden Superkontinuum-Lichtquelle über einen akusto-optischen, abstimmbaren Filter (AOTF) auf die gewünschte Wellenlänge gefiltert. Ein 50:50-Strahlteiler teilt den 632nm-Strahl in einen Beleuchtungsstrahl, der auf einen Spiegel gerichtet ist, und einen Referenzstrahl, der auf einen anderen Spiegel trifft. Durch das geringe Kippen des ersten Spiegels entsteht ein dichtes Streifenmuster, ähnlich wie bei der Off-Axis-Holografie. Hinter dem Strahlteiler bildet eine Linse die Spiegeloberflächen auf die Kamera ab. Die optischen Weglängen werden durch Verschieben des ersten Spiegels kontrolliert, an dem zusätzlich ein Piezostapel angebracht ist, um Vibrationen zu erzeugen.
Nach dieser ersten Validierung führte ARCNL eine Overlay-Messung mithilfe einer Dark-Field-Off-Axis-DHM an speziellen Teststrukturen durch. In einem ähnlichen Aufbau nutzt die DHM eine fasergekoppelte Superkontinuum-Lichtquelle, deren Spektrum mithilfe eines AOTF auf eine Wellenlänge von 632nm und eine Bandbreite von 3nm gefiltert wird. In diesem Fall teilt ein 90:10-Strahlteiler den Strahl in einen Beleuchtungs- und einen Referenzstrahl auf. Ein nicht-polarisierender 50:50-Strahlteiler wird in beiden Strahlengängen verwendet, um die +1. und -1. Beugungsordnung parallel aufzunehmen. Letztlich zeichnet die Highspeed-Kamera von Emergent eine Sequenz von Hologrammen auf. Jedes Hologramm liefert eine zurückgewonnene Phase, die anschließend interpoliert wird, um die kontinuierliche Phasenvariation zu erhalten. Diese wiederum dient zur Berechnung des Kontrastverlusts. Zusätzlich zu ihrer hohen Geschwindigkeit und kompakten Bauform verfügt die HZ-2000-G-M über GPU-Direct-Technologie, sodass die aufgezeichneten Daten direkt an die GPU weitergegeben und in Echtzeit verarbeitet werden können. Diese Fähigkeit reduziert die Latenzzeit erheblich und maximiert die Effizienz der Datenverarbeitung.
Ausblick
"Vor zehn Jahren hätte man das Experiment aufgrund der enormen Datenmenge nicht umsetzen können", sagt Cromwijk. "Man hätte vielleicht eine Zeile auslesen können, aber nicht das gesamte Bildfeld." Das experimentelle Konzept ist so ausgelegt, dass es nicht nur die für immer kleinere Halbleiterstrukturen erforderliche Auflösung liefert, sondern auch einen größeren Wellenlängenbereich nutzt, um mehrere Farben gleichzeitig zu betrachten. Ein drittes Ziel sind sehr schwache Signale, wie Cromwijk erläutert: "Wenn etwa eine undurchsichtige Schicht dazwischenliegt, sodass das vom darunterliegenden Gitter gestreute Licht sehr schwach ist, kann man mit der holografischen Technik einfach mehr Licht in den Referenzstrahl geben und damit das Signal verstärken." Angesichts des Erfolgs der ersten Experimente zur genaueren Overlay-Messtechnik sehen die Forschenden weitere Verbesserungsmöglichkeiten der Technologie.
Digital holografisches Mikroskop
Da die Strukturgrößen in integrierten Schaltkreisen weiter schrumpfen, hat sich die digitale holografische Mikroskopie (DHM) als vielversprechende interferometrische Messtechnik für zukünftige Overlay-Messungen erwiesen. DHM kann eingesetzt werden, um die Genauigkeit der Schichtausrichtung auf Halbleiterwafern zu bestimmen. Allerdings ist diese Technik empfindlich gegenüber unerwünschten Phasenschwankungen, die durch mechanische Vibrationen und Luftturbulenzen hervorgerufen werden und zu Verzerrungen der Bildqualität führen. "Im Labor funktioniert DHM bereits sehr gut, doch in der Praxis ist es schwierig", erklärt Tamar Cromwijk, Forscherin am ARCNL. In einer Hochdurchsatz-Produktionsumgebung bewegt sich ein Halbleiterwafer in einem Messgerät mit rasch wechselnden Geschwindigkeiten und erfährt dadurch starke Beschleunigungen. "Das ist eine technische Herausforderung, die wir lösen müssen. Man möchte die Messtechnik so schnell wie möglich durchführen und muss daher anfangen zu messen, während mechanische Vibrationen noch vorhanden sind", so Cromwijk. Andere Erschütterungen, etwa durch Temperaturschwankungen oder Ventilatorbewegungen, verschärfen das Problem. "All das trägt zu einer gesamten Phasenschwankung bei, die die Messqualität mindert - und genau das versuchen wir zu kompensieren." Gemeinsam mit dem Dutch Research Council sowie der Universität von Amsterdam, der Vrije Universiteit und der Universität Groningen arbeitet das ARCNL mit einem Gerätehersteller zusammen, der großes Potenzial in der DHM sieht, sofern deren Beschränkungen überwunden werden können.
Emergent Vision Technologies
Dieser Artikel erschien in inVISION 2 (April) 2025 - 15.04.25.Für weitere Artikel besuchen Sie www.invision-news.de
