Als Schlüsseltechnologie bildet die Mikroelektronik die Grundlage zahlreicher Innovationen in ganz unterschiedlichen Bereichen. Mit dem Flexmax-Projekt beispielsweise fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung die Entwicklung einer flexiblen und gleichzeitig aktiven Sensormatrix für medizinische Anwendungen. Solche Sensorfolien können dann z. B. die Atmungsüberwachung von Frühgeborenen verbessern, bei chronischen Erkrankungen Verwendung finden oder auch während einer Herzoperation die Position des Katheters bestimmen. Ein Geschäftsbereich des Instituts für Mikroelektronik Stuttgart (IMS CHIPS) beschäftigt sich aktuell mit der Entwicklung solcher Hybridsysteme, die Sensorik und Mikrochip direkt in einer flexiblen Polyimid-Folie integrieren. Sie lassen eine hohe Integrationsdichte zu, können sich aber auch einfach an verschiedenste Flächen und Formen anpassen. Gleichzeitig muss für die innovativen Produkte aber auch ein kostengünstiger, serientauglicher Herstellungsprozess entwickelt werden. Nur dann können Patienten zukünftig von den Möglichkeiten profitieren, die sich dank der Fortschritte in der Mikroelektronik realisieren lassen.
Mikrochip in der Folie eingebettet
In diesem Zusammenhang spielt die Weißlicht-Interferometrie bei den Stuttgarter Entwicklern eine wichtige Rolle. Denn nur mit ihrer Hilfe lässt sich die Oberfläche der flexiblen Hybridelektronik flächendeckend und berührungslos überprüfen. Die Aufgabenstellung ist sehr anspruchsvoll, denn die Oberfläche und deren Beschichtung haben große Auswirkungen auf die Funktionsfähigkeit der Hybride und dürfen durch Messungen nicht beschädigt werden. Die flexiblen elektronischen Systeme integrieren Standard-ICs, die für die Anwendung entsprechend gedünnt werden, sowie die komplette Anschlusstechnik. Im waferbasierten Produktionsprozess werden die Chips auf eine Polyimidfolie gebettet, überschichtet und mit lithographischer Strukturierung verdrahtet. Zur Qualitätskontrolle müssen die feinen Strukturen des vierlagigen Aufbaus überprüft werden. Gleichzeitig tragen die Ergebnisse dazu bei, den Fertigungsprozess zu evaluieren und zu optimieren. „Taktile Verfahren sind dazu nicht geeignet“, erklärt Dr. Christine Harendt, Leiterin Geschäftsfeld Halbleiterintegration bei IMS CHIPS. „Die Information über die Oberfläche wird hier nur zweidimensional entlang eines Profils gewonnen.“
Die Stuttgarter Entwickler entschieden sich deshalb für ein modernes mikroskopbasiertes Weißlicht-Interferometer, das von Polytec entwickelt wurde, um feinste Strukturdetails zu erkennen. Die zusätzlich zur Höhenmessung gelieferte Farbinformation (RGB) vom Messobjekt vereinfacht dabei die Fehlerzuordnung. Das mikroskopbasierte Weißlicht-Interferometer bietet dafür motorisierte X-, Y- und Z-Achsen mit einem Verfahrbereich von 200 x 200 x 100 mm³ sowie einen ebenfalls motorisierten Objektiv-Revolver und eine motorisierte Kippplattform (Neigetisch). Bei der beschriebenen Anwendung sind vier Objektive im Einsatz. Die Prüfabläufe können dadurch automatisiert nach bestimmtem “Rezepten“ ablaufen. „Wir können so an vielen Stellen die Oberfläche sehr präzise messen und bekommen per Stitchingverfahren dann eine genaue Gesamtübersicht“, ergänzt Dr. Harendt. Dabei überzeugte die Entwickler der Hybridelektronik nicht nur die hohe Messdatenqualität, sondern auch die partnerschaftliche Kooperation mit den Spezialisten aus Waldbronn.
Modulare Software, individuell anpassbar
Dank vieler Exportmöglichkeiten können die 3D-Messdaten der Weißlicht-Interferometer anschließend mit jeder geeigneten Auswertesoftware bearbeitet werden. Besonders einfach und praxisgerecht geht das mit der speziell für diese Polytec-Topografie-Messsysteme entwickelten TMS Software, die zahlreiche Möglichkeiten bietet, um die Messergebnisse zügig und ISO-konform auszuwerten. „Messrezepte“ beispielsweise erleichtern Routineaufgaben.
Hier lassen sich die Einstellungen für die Datenaufnahme (zum Beispiel Messposition, Beleuchtungseinstellungen, Kameraparameter) zusammen mit Auswerteparametern (zum Beispiel Nachbearbeitungsschritte, Visualisierungs- oder Exportmöglichkeiten) für spezielle Messaufgaben definieren und abspeichern. Das spart besonders im Produktionsumfeld Zeit und vermeidet Bedienfehler.
Zudem lässt sich die Software dank guter Dokumentation, ihrer offenen Struktur und des modularen Aufbaus auch individuell modifizieren. Dr. Harendt berichtet: „Wir haben die Software so angepasst, dass wir jetzt auf den Wafern routinemäßig die gleichen Messpositionen anfahren und vermessen können, wie es in einer Serienproduktion bei der Prozesskontrolle nötig ist. Die offene Softwarestruktur und die gute Zusammenarbeit mit Polytec haben uns das ermöglicht.“ Auch die Benutzeroberfläche konnten die Stuttgarter dadurch selbst an ihre Bedürfnisse anpassen. „Dadurch bleibt internes Wissen im Unternehmen und wir können flexibel reagieren, wenn sich die Anforderungen verändern“, ergänzt Dr. Harendt.
Anwendungsbereiche in der Elektronik- und Halbleiterfertigung
Die vielseitig einsetzbaren Oberflächenmesssystemen eignen sich genauso gut für zahlreiche weitere Aufgabenstellungen in der Mikro- und Nanotechnologie. So lassen sich beispielsweise Kanaltiefen auf einem Lab-on-a-Chip zuverlässig, hochgenau und schnell auswerten, die Stufenhöhe beim MEMS-Packaging bestimmen, Ebenheiten von Drucksensoren ermitteln oder MEMS anhand von Oberflächenparametern analysieren. Darüber hinaus gibt es konstruktive Variationsmöglichkeiten. So kann die Probenhöhe bis auf 370 mm gemessen werden und bei Bedarf lässt sich der Messkopf auch separat direkt in einer Fertigungslinie integrieren. Dank Autofokus-Funktion und automatischem Fokus-Tracker hat das Messsystem Objekt oder Probe immer im Blick. Der Prüfling bleibt immer im Fokus, selbst bei variierenden Objektpositionen. In rauer Fertigungsumgebung kann die optionale, patentierte ECT (Environmental Compensation Technologie) Umwelteinflüsse automatisch kompensieren.
Optischer Aufbau eines Weißlicht-InterferometersBild: Polytec
Weißlicht-Interferometrie
Moderne Weißlicht-Interferometer nutzen die Interferenzeffekte, die bei der Überlagerung des vom Messobjekt reflektierten Lichts mit einem Referenzsignal auftreten. Das Messverfahren basiert auf dem Prinzip des Michelson-Interferometers, wobei der optische Aufbau (s. Bild) eine Lichtquelle mit einer Kohärenzlänge im µm-Bereich enthält. An einem Strahlteiler wird der kollimierte (also gerade gerichtete bzw. parallelisierte) Lichtstrahl in Mess- und Referenzstrahl aufgeteilt.
Der Messstrahl trifft das Messobjekt, der Referenzstrahl einen Spiegel. Das vom Spiegel und Messobjekt jeweils zurückgeworfene Licht wird am Strahlteiler überlagert und auf eine Kamera abgebildet. Stimmt der optische Weg für einen Objektpunkt im Messarm mit dem Weg im Referenzarm überein, kommt es für alle Wellenlängen im Spektrum der Lichtquelle zu einer konstruktiven Interferenz. Das Kamerapixel des betreffenden Objektpunktes hat dann die maximale Intensität. Für Objektpunkte, die diese Bedingung nicht erfüllen, hat das zugeordnete Kamerapixel eine niedrigere Intensität. Geräte mit telezentrischem Aufbau erfassen die Topographie großer Flächen in einem einzigen Messvorgang innerhalb einer kurzen Messzeit und erreichen selbst schwer zugängliche Vertiefungen wie Bohrungen. Wenn dagegen eine hohe laterale Auflösung gefordert ist, bieten sich mikroskopbasierte Systeme an, bei denen der optische Aufbau mitsamt dem Referenzarm in das Objektiv integriert ist.
