Makellose Verfahrenssicherheit Kamillo Weiß für Cognex, Karlsruhe

Die rapide wachsenden Ansprüche in der Präzision der Strukturen von mikroelektronischen Bauteilen bedingen – von den dabei eingesetzten messtechnischen Kontrollsystemen – extrem sichere und äußerst genaue Systemtechniken. Der Umgang mit kritischen Dimensionen (auch CD = critical dimensions) ist das tägliche Brot des mittelständischen Unternehmens MueTec, Automatisierte Mikroskopie und Messtechnik GmbH in München und Alholming. Die Firma entwickelt, fertigt und liefert Systeme zur automatischen Messung von Linienbreiten für die weltweite Halbleiterindustrie und für Hersteller und Forschungsinstitute von mikromechanisch erzeugten kleinsten Strukturen auf unterschiedlichsten Substraten. Die Hochleistungs-Messsysteme von MueTec verpflichten zu extremen Anforderungen und Fähigkeiten der dabei eingesetzten Bildverarbeitungssysteme. Nach ursprünglich eigenen Entwicklungen rüstet das Unternehmen nun alle seine Messanlagen mit Vision-Technologie von Cognex aus.

In der sehr starken Vergrößerung durch Mikroskope ist die Strukturbreitenmessung als Dimensionskontrolle von sehr kleinen Strukturen auf Wafern eine schwierige Aufgabe. Extreme Vergrößerungen verschärfen dabei viele Probleme der Bildverarbeitung. Wenn man sich bei MueTec bezüglich der Wiederholgenauigkeit im Bereich weniger Nanometer oder sogar bis unter einen Nanometer bewegt, dann potenzieren sich Bildverarbeitungsprobleme wie Oberflächen- und Materialeigenschaften der Wafer, Tiefenschärfe von Bildmitte zu Bildrand, Beleuchtung, Kontrast und vieles mehr. Selbstverständlich sind die Messanlagen für Reinraumbedingungen ausgelegt. Im automatischen Betrieb gilt es zudem, den Durchsatz der kundenspezifischen Mess- und Inspektionsanlagen so günstig wie möglich zu gestalten, denn auch in der Halbleiterindustrie muss mit sehr spitzer Feder kalkuliert werden.

Als kleines Unternehmen muss MueTec flexibel und rasch auf die Kundenwünsche eingehen. Das gilt für alle drei Produktbereiche von Maskenvermessung, Vermessung von Wafern und mikromechanischen Strukturen. Dabei haben sich die kundenspezifischen Serviceleistungen zu einem wichtigen Umsatzbereich entwickelt. Seit der Firmengründung 1991 als auch bei der späteren (1995) engen Kooperation mit der Leica Microsystems Semiconductor setzte man noch auf eine selbst entwickelte Bildverarbeitungssoftware, die ganz auf die eigenen Anforderungen ausgerichtet war. Es zeichnete sich jedoch schon bald ab, dass die ständig notwendigen Weiterentwicklungen dieser BV-Software – in dem äußerst dynamischen technologischen Halbleitermarkt – rapide wachsenden Aufwand erforderte. Das bestehende BV-System war den kommenden Anforderungen nicht mehr gewachsen, denn zunehmend galt es, auch andere Aspekte wie hochsensible Verfahren der Defektkontrolle zu integrieren. Deshalb wurden die am Markt angebotenen Softwarepakete und Hardware der verschiedenen Anbieter von Visionsystemen eingehend unter die Lupe genommen.

Unter dem Aspekt der von MueTec etwa 20 bis 30 jährlich ausgelieferten Messanlagen war die Entscheidung für ein Visionsystem von strategischer Bedeutung. Es galt, nicht nur ganz spezifische Aufgaben der BV mit extremer Sicherheit zu bewältigen, sondern die Integration weiterer Fähigkeiten bedingte einen Anbieter mit viel Anwendungserfahrung in der Technologie von Bildverarbeitungsalgorithmen auf höchstem Niveau. Außerdem war der Aspekt einer längerfristigen intensiven Partnerschaft wichtig.

Die Entscheidung für den PatternFinder von Cognex beruhte nicht nur in seinen überzeugenden Ergebnissen der Algorithmen in Arbeitssicherheit, Geschwindigkeit sowie einfacher Bedienungsoberfläche. Als Vorteil sah man auch noch das gute Qualitätsimage dieses Anbieters, das auch die Kunden von MueTec kennen und schätzen. Außerdem sah man in dem vielseitigen und breit angelegten Vision-Know-how von Cognex weitere Ansatzpunkte einer zuverlässigen Zusammenarbeit.

Der PatternFinder beruht auf der Technologie des außerordentlich leistungsstarken Softwarepaketes von PatMax, für PC-basierte Visionsysteme. Mit dieser Vision-Software setzte Cognex Meilensteine neuer Verfahrenstechniken in der industriellen Bildverarbeitung. In der Vergangenheit hatten die Bildverarbeitungssysteme in der Lokalisierung von Objekten oder Kanten auf der so genannten Grauwert-Korrelation basiert. Bei diesem Analyseverfahren werden die Graustufen der Bildpixel mit dem Reverenzobjekt verglichen und daraus die Position berechnet. Dieses Verfahren stößt sehr schnell an die Grenzen seiner Möglichkeiten wenn höchste Präzision gefragt ist und Einflüsse wie z.B. Rotation, Skalierung oder schwankende Beleuchtungs- und Kontrastverhältnisse zu bewältigen sind.

Seit 2002 wird der PatternFinder von Cognex in die Mess- und Inspektionssysteme von MueTec integriert. Das gilt auch für die neuen mit automatischer (Wafer) Probenzuführung ausgestatteten und auf Durchsatz orientierten Messsysteme MueTec 3000 NT. Für die Echtzeit-Bildverarbeitung wird die Hardware der MVS-8000er Hochleistungs-Framegrabberfamilie von Cognex im PC der Messanlage eingesetzt. Als großer Vorteil für die Kundenfreundlichkeit sieht man die komfortable Bedieneroberfläche des auf PatMax basierenden Visiontools PatternFinder. Dadurch erhält der Kunde in der Halbleiterindustrie eine auf seine Bedürfnisse und Anforderungen individuell gestaltete und einfach zu handhabende Bedieneroberfläche mit leichter als auch sicherer Programmierung. Das Einlernen eines neuen Jobs kann so sehr schnell in zuverlässigen kleinen Schritten getestet und durchgeführt werden.

In der Hochleistungs-Messanlage 3000 NT zeigt sich die vorteilhafte sichere Kantenfindung des Finders selbst bei Defokussierung. Wenn die Entfernungseinstellung des Mikroskopobjektives verändert wird, dann werden andere Kanten scharf, und die Thematik des Kontrastes kommt problemverschärfend hinzu. In derartigen Problemstellungen erweisen die Algorithmen des Finders ihre Stärken mit dennoch sicheren Ergebnissen. Das Auffinden von Strukturen auf dem Substrat und deren Basisausrichtung ist eine der Hauptaufgaben des PatternFinder. Das erfolgt durch die exakte Vermessung von zwei Punkten auf den Achsen X und Y und dem daraus extrem genau errechneten Winkel.

In einem automatischen Prozess werden die Daten der Codes auf jedem einzelnen Wafer ausgelesen und dadurch wichtige Parameter für die weitere Vermessung und Inspektion bestimmt. Hier hat sich bereits eine weitere Zusammenarbeit mit Cognex ergeben. Denn diese Aufgabe übernimmt der äußerst kompakte, und mit integrierter Beleuchtung ausgestattete Visionsensor In-Sight 1700 Wafer ID Reader, als autarke selbstständige Systemeinheit mit seiner außerordentlichen Lesesicherheit.

EPP 477

Die patentierten Verfahren von PatMax verwenden im Gegensatz zur Grauwertkorrelation die geometrischen Grundstrukturen von Objekten in einem dreistufigen Verfahren. Zuerst werden die wichtigsten Einzelmerkmale im Objektbild wie Kanten, Abmessungen, Formen, Winkel, Bögen und Schattierungen getrennt identifiziert. Die räumlichen Verhältnisse zwischen diesen zentralen Merkmalen des eintrainieren Bildes werden mit dem Echtzeit-Bild verglichen. Aus der Analyse der geometrischen Informationen, sowohl der Merkmale als auch deren räumliche Relation, wird dann die Position des Objektes eindeutig und mit höchster Genauigkeit bestimmt. Merkmale wie z.B. Konturen mit geringem Kontrast können dadurch wesentlich zuverlässiger, genauer und schneller erkannt werden. So erkennt PatMax zum Beispiel an Hand einer Teilkontur sofort, wo es weitere Merkmale trotz Verdrehung, Verschiebung oder Abdeckung finden muss, und das gesamte Aufnahmebild muss nicht mehr erst linear analysiert werden. Das vereinfacht die Merkmalsfindung und macht das Visionsystem sehr schnell, flexibel und extrem sicher. PatMax erschließt auch die sehr hohen Auflösungen bis in den Subpixelbereich und sichere Winkelbestimmungen von Objekten bis 0,02 Grad. Das Visiontool ist damit invariant gegenüber Lage, Orientierung und Maßstabsveränderung des Objektes. Durch gleichzeitige Untersuchung von Kontur und Struktur des Objektbildes werden wechselnde Beleuchtungs- und Kontrastverhältnisse eliminiert.

Auf dieser Visiontechnologie basieren inzwischen eine ganze Reihe weiterer Visionsoftwarepakete von Cognex, wie z.B. PatInspect und PatFlex. Neue Verfeinerungen der Algorithmen zur Lokalisation und Ausrichtung von Mustern ermöglichen sogar das Auffinden von kaum sichtbaren Objekten in körnigen oder blassen Abbildungen. Diese und andere Erweiterungen sind in den neuen Visiontools von PatMax XLC (eXtremly Low Contrast) und PatMax SA (Scene Alignment) integriert. Ganz neu ist der Aspekt dass PatMax inzwischen auch auf den Hochleistungs-Visionsensoren In-Sight 5100, 5400 und 3400 zur Verfügung steht. Die geometrieorientierte Arbeitsweise von PatMax ist auch ein ganz wichtiger Aspekt in der einfachen Programmierung von sehr anspruchsvollen Bildverarbeitungsaufgaben, und minimiert die manuellen Eingriffe der Anwender. All diese Aspekte haben dazu beigetragen, dass PatMax weltweit die am häufigsten verwendete Software für die Wafer-Ausrichtung bei Halbleitern geworden ist.