Hochpräzisionssensorik für die Halbleiterindustrie Keine halben Sachen

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Unternehmen aus den Bereichen Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik haben hohe Anforderungen an die Fertigungstoleranzen eines Wafers. Schon kleine Toleranzabweichungen können nachgelagerte Prozessschritte negativ beeinflussen. Daher werden bei der Herstellung von Wafern präzise Sensoren eingesetzt, die in zahlreichen Prozessschritten Maschinenbewegungen überwachen, submikrometergenaue Positionierungen ermöglichen und geometrische Messungen am Wafer ausführen.

Die eigentliche Produktion von Wafern findet in Halbleiterfertigungsmaschinen statt. Um kleinste Schaltkreise und Transistoren auf einem Wafer aufzubringen, sind viele hundert Prozessschritte erforderlich. Die Verfahren zur Herstellung eines Wafers sind äusserst komplex und finden unter Reinraumbedingungen und auch im Vakuum statt. Um diese komplexen Abläufe kontrollieren zu können, sind leistungsfähige Sensoren notwendig, die zum einen die Maschinenbewegungen überwachen und zum anderen den Zustand des Wafers überprüfen.

Hohe Genauigkeit bei Front- und Backend-Prozessen

Die Wafer-Herstellung erfordert hohe Präzision in allen Prozessschritten. Dies beginnt bereits bei der Geometrieprüfung von Ingots. Um die Geometrie von Silizium-Ingots zu prüfen, werden Laser-Profilscanner von Micro-Epsilon eingesetzt. Diese erfassen die komplette Geometrie der Silizium-Stäbe. Dadurch können geometrische Abweichungen ermittelt werden. Ingots werden oftmals mit Orientierungskerben versehen, die für die Ausrichtung der Ingots erforderlich sind. Um das Profil der Kerben auf Masshaltigkeit zu prüfen, erfassen Laserscanner mit Blue-Laser-Technologie das Kerbenprofil mit hoher Genauigkeit.

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Ein weiterer Prozessschritt ist das sogenannte Slicing, wo Silizium-Ingots mittels Innenlochsägen in einzelne Wafer geschnitten werden. Wirbelstromsensoren der Reihe eddyNCDT überwachen das Sägeblatt von Innenlochsägen bzw. die zugehörige Halterung. Dank der hohen Grenzfrequenz und der ­Unempfindlichkeit gegenüber Staub und Schmutz liefern die Sensoren zuverlässige Messwerte der axialen Abweichung des Sägeblatts. Damit wird ein homogener und gleichmässiger Zuschnitt der Silizium-Scheiben sichergestellt.

Hochpräzise Lagebestimmung beim Waferhandling

Wenn die Wafer über Verfahranlagen und Wafer-Handling-Roboter von einem Prozessschritt zum nächsten transportiert oder in eine Bearbeitungsmaschine eingelegt werden müssen, spricht man vom Waferhandling. Beim Handling von Wafern ist die exakte und reproduzierbare Positionierung entscheidend, um eine hohe Bearbeitungsqualität sicher­zustellen. Beim Zuführen von Wafern prüfen zwei optoControl-Laser-Mikrometer den Durchmesser und ermitteln so die horizontale Lage. Dank der hohen Messrate und Messgenauigkeit liefern die Mikrometer eine zuverlässige Aussage über die Position.

Verkippungsmessung von Wafern

Eine weitere Messaufgabe beim Waferhandling erfolgt durch Weisslicht-Interferometer. Sie überwachen die horizontale Verkippung des Wafers. Die Interferometer liefern absolute Abstandswerte bei einer Subnanometer-Auflösung. Dadurch wird eine grösstmögliche Lagegenauigkeit bei der Aufnahme und Entnahme von Wafern sichergestellt.

Positionierung der Waferstage

Auch in der Waferstage sind exakte Positionsmessungen notwendig. In der Stage werden Wafer mit hoher Dynamik unter dem Strahlengang positioniert, damit die Belichtung erfolgen kann. Zur hochgenauen Positionsmessung werden berührungslose Wegsensoren der Reihen capaNCDT und eddyNCDT genutzt, die die hochdynamischen XYZ-Bewegungen erfassen und die Positionsanpassung in Echtzeit ermöglichen. Die kapazitiven und wirbelstrombasierten Sensoren erzielen dabei eine Auflösung im Nanometerbereich. Dank der robusten Bauform und der hohen Dynamik wird die Stage-Position auch unter höchsten Beschleunigungen sicher erfasst.

Der Halbleitermaschinenbau stellt höchste Anforderungen an die eingesetzte Messtechnik, die sich unter anderem im Vakuum, bei hohen Beschleunigungen und in Magnetfeldern bewähren muss, dabei aber gleichzeitig hohe Präzision und Stabilität liefern soll.

Spezielle Fertigungstechnologien erforderlich

Um Sensoren für derartige Anforderungen zu fertigen, sind besondere Fertigungstechnologien erforderlich. Bei Micro-Epsilon werden die Sensoren im eigenen Unternehmen gefertigt. Aufgrund der hohen Ansprüche, die der Sensorproduktion zugrunde liegen, durchlaufen alle Sensoren und Systeme von Micro-Epsilon komplexe Fertigungs- und Prüfprozesse.Die Fertigung erfolgt unter anderem im Reinraum, der definierte Feuchte- und Temperaturwerte einhalten muss. Um diese Umgebungsbedingungen konstant zu halten, werden Partikelzahl, Temperatur und Luftaustausch permanent überwacht und geregelt. Im Einsatz sind auch die Ultrakurzpuls-Lasertechnologie sowie rote und grüne Laser für enorme Genauigkeit beim Schweissen. Mit minimalem Energieeintrag werden dauerhaft hermetisch dichte Verbindungen sichergestellt. Über Hochtemperatur-Vakuum-Lötprozesse werden hermetisch dichte Keramik-Metallverbindungen erreicht und die keramischen Leiterplatten sowie Sensorelemente werden ebenfalls in der Micro-Epsilon-Unternehmensgruppe hergestellt. Die Bearbeitung mechanischer Präzisionsteile erfolgt auf modernsten 5-Achs-Maschinen.

Umfangreiche Burn-In-Tests sorgen dafür, dass die hohen Anforderungen an die Standzeiten der Produkte von Micro-Epsilon über den gesamten Produktlebenszyklus sichergestellt werden. Ein vollständig blasenfreier Verguss bedeutet ein hervorragendes Vergussergebnis und Langlebigkeit der Bauteile. Zudem ermöglichen moderne Beschichtungsverfahren einen nahezu vollständigen Auftrag auf zahlreichen Oberflächen. So wird ein gleichmässiger Auftrag auch an schwer erreichbaren Stellen wie beispielsweise Kanten oder Spalten ermöglicht. Die eingesetzten Verfahren ermöglichen die Herstellung von Sensoren, Aktoren und Präzisionsmechaniken mit höchsten Qualitätsanforderungen. Dadurch können performante, hochpräzise, robuste und individuelle Applikationslösungen gefertigt werden, die sich in der Optik, im Präzisionsmaschinenbau sowie in der Elektronik- und Halbleiterproduktion bewähren.

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