MULTISZENZOROS KMG FÉLVEZETŐ LAPKÁK RÉTEGVASTAGSÁGÁNAK MÉRÉSÉRE
A berlini Ferdinand Braun Intézetnél gyártott félvezető lapkákat diódalézerekhez és nagyfrekvenciás erősítőkhöz használják, ahol rendkívül fontos a rétegvastagság. Ezt a folyamatot tisztatérben dolgozó technikusok felügyelik a giesseni székhelyű Werth Messtechnik multiszenzoros koordináta mérőgépével. A gép egy kromatikus érzékelővel van ellátva a szükséges mérési értékek pontos és érintésmentes meghatározásához.
A Ferdinand Braun Intézet, a Berlini Leibnitz Nagyfrekvenciás Technológiai Intézet, rövid nevén az FBH, kompromisszumok nélküli csúcstechnológiát használnak (lásd a szövegdobozt). Összesen 220 munkatársával, akik közül 110 tudós, az intézet egyéb termékek mellett diódalézereket fejleszt anyagmegmunkálási, orvosi és precíziós mérési célokra. A másik fontos termékvonalat azok a nagyfrekvenciás komponensek jelentik, amelyek kommunikációs technológiában, teljesítményelektronikában és szenzorokban használatosak.
„Az FBH diódalézereinél a különlegesen kis magasság kiváló pontossággal, fényességgel és teljesítménnyel párosul.” osztja meg velünk Dr. Andreas Thies, a folyamattechnológiai osztály tudományos munkatársa. Jóllehet az ilyen lézerek nem nagyobbak egy rizsszemnél, 20 watt teljesítményt képesek leadni folyamatos és akár 100 wattot impulzusos üzemmódban. Hogy ez jobban érhető legyen: ez 5000 – 25 000-szer akkora teljesítmény, mint egy CD-lejátszó lézere. A szélsőséges körülmények között mutatott nagyfokú megbízhatóság mellett ezek a tulajdonságok tették az FHB lézereit világszerte ismertté. Egyebek mellett már a világűrben is megállták a helyüket, a következő generációs GPS műholdak atomóráiban.
A fényforrások alkalmazási területe igazán széleskörű. Az orvostechnikában fotodinamikus módon segítik a rák elleni terápiát azzal, hogy pontosan megadott hullámhosszú fénnyel aktiválják a tumoros sejtekben felhalmozódott gyógyszereket, elpusztítva ezzel az érintett sejteket. További alkalmazásai területei: optikai precíziós mérések, ipari méréstechnika és anyagfeldolgozás (hegesztés, forrasztás, gravírozás).
A lapkák több megmunkálási lépésben készülnek
A mikrohullámú technológiában és az optoelektronikában végzett kutatás-fejlesztési munka az alapvető technológiákon alapul. Epitaxiális kristálynövesztéssel (egykristály félvezető réteg létrehozása mikrokristályos hordozó felületen) megfelelő anyagjellemzőkkel bíró hajszálvékony rétegek kerülnek kialakításra a lapkákon. A lapkákat azután modern ipari rendszerekkel tovább feldolgozzák.
A megmunkálási láncban fotolitográfiás módszerek, nedves és száraz maratási eljárások és metallizációs lépések szerepelnek. Egy 4 colos lapkán megközelítőleg 2000 mikrohullámú áramkörös chip vagy 10 000 lézeres chip helyezhető el.
Mielőtt a technikusok leválasztják a chipeket a lapkáról és optoelektronikus vagy nagy frekvenciás komponenseket építenek belőle, a lapkákat először vékonyítani kell. Ehhez hordozóanyagra ragaszták, majd adott méretűre tükrösítik őket. Dr. Andreas Thies az FBH folyamattechnológia szakembere felelős a tisztatérben végzett munkákért. Ő így magyarázza: „A lapka vastagsága rendkívül fontos a komponens használatósága szempontjából. Ökölszabályként elmondható, hogy 350 µm eredeti vastagságot egészen 100 µm-ig csiszoljuk, az alkalmazástól függően.” 4 hüvelykes méretű, nagy frekvenciás alkalmazásokhoz használt gallium-arzenid (GaAs) vagy gallium-nitrid (GaN) anyagú lapkáknál ehhez kb. két óra szükséges GaAs-nél és jóval több GaN-nél.
A pontos célvastagság eléréséhez a lapkát több alkalommal is meg kell mérni. Mostanáig ez kizárólag tapintós méréssel történt.
Ez a módszer úgy működik, hogy a félvezető lapka vastagságát megmérik, mielőtt egy hordozóra ragasztják. Ragasztás után még egyszer megmérik, majd a két érték különbsége megközelítőleg megadja a rétegvastagságot. Ezt használják fel arra, hogy kiszámítsák a félvezető lapka vastagságát a tükrösítéssel történő anyagleválasztás után.
Mivel ez a módszer nem kifejezetten pontos, a felelősök olyan speciális mérőgép beszerzése mellett döntöttek, amely precíz eredményeket szolgáltat és amennyire csak lehet, érintésmentesen működik. Választásuk egy Werth VideoCheck 400 x 200 x 200 3D-CNC gépre esett, kromatikus fókusz mérőfejjel (CFP) (1. ábra). Ez a 3D CNC multiszenzoros koordináta mérőgép, amelyet a giesseni székhelyű Werth Messtechnik szállított, egyedi előfeszített vezetékrendszerének hála rendkívüli precizitással működik. A VideoCheck sorozatú gép moduláris felépítése lehetővé teszi több szenzor együttes használatát az adott alkalmazásnak megfelelően (2. ábra). Az alapkivitel képfeldolgozó szenzorai mellett különböző mechanikus, érintős bemérő rendszerek, a szabadalmaztatott 3D Werth Fiber Probe mikroszenzor és különféle távolságérzékelők is integrálhatók.
A kromatikus fókuszáló szenzor csak a lapka anyagát méri
Az integrált Werth Chromatic Focus Probe méri a lapka vastagságát. Az eszközt fényes, fényvisszaverő, és a látható fényt áteresztő anyagok pontos és érintésmentes méréséhez fejlesztették ki, emiatt kiválóan alkalmas optikai komponensek, pl. tükrök és lencsék mérésére.
Olyan félvezetők méréséhez, mint amilyenek a lapkák, amelyeken normál esetben nem halad át a fehér fény, egy speciális változat használatos infravörös spektrumú fénnyel, ami képes áthatolni a félvezető anyagán (3. ábra). Az anyag első és hátsó határfelületén bekövetkező visszaverődés interferenciát okoz, amiből meghatározható a réteg vastagsága. A szenzor döntő előnye „hogy pontosan méri a lapka anyagát és figyelmen kívül hagyja a ragasztórétegek, az összes fém réteget és az elektromos struktúrákat az elülső oldalon” magyarázza Andreas Thies.
A mérés gyorsan beállítható és végrehajtható. A gépkezelő első lépésben elhelyezi a mérendő lapkát az X-Y asztalon előkészített rögzítőkészülékek egyikében. Ezután a számítógépre telepített WinWerth mérőszoftverrel kiválasztja a megfelelő pozíciót és beírja a lapka méretére és anyagára vonatkozó alapvető információkat. Andreas Thies így pontosítja: „Gallium-arzenidet, gallium-nitridet, zafírt, szilíciumot és szilícium-karbidot tudunk mérni. Ezek a legfontosabb anyagaink. Más anyagokhoz beírható a törésmutató. A mintadarab megközelítő vastagságának megadása (becsült méret ± 50 µm) felgyorsítja a mérést.”
A gépkezelőnek csak meg kell nyomnia a Start gombot, és a gép megkezdi a mérést. A szenzor két menetben pásztázza a lapkát a középpontján át: egyszer X és egyszer Y irányban. Az egyes menetekben mért rétegvastagság megjelenik a képernyőn. A munkatársak igazán praktikus megoldásnak tartják, hogy az adatok közvetlenül a gép PC-jén elemezhetők, a házon belül írt rutinokkal kiszámítható és grafikusan megjeleníthető a rétegvastagság eloszlása. A mérés megközelítőleg két percet vesz igénybe egy 70 mm-es lapkánál. A munkatárs pontos képet lát a lapka vastagságának eloszlásáról és ez alapján folytathatja a tükrösítést.
Az érintésmentes méréssel megelőzhető a károsodás
Érzékeny lapkák megmunkálása során gyakran előfordulnak kisebb mechanikai károsodások, pl. finom repedések. Mivel a tapintós mérés érintkezési nyomással jár, további sérüléseket okozhat a lapkán, teljesen használhatatlanná téve azt. Ha azonban a mérés érintkezés nélkül is elvégezhető, a gyártás a kisebb károsodások ellenére s folytatódhat. A legtöbb esetben ilyenkor a lapkán található chipek jó része megmenthető.
A CFP szenzor nem az egyetlen eszköz, amelyet a FBH laboratóriumában használnak. A Video Check IP gép optikai fényútpályája az alapfelszereltség részeként lehetővé teszi a lapkák nagy felbontású és nagy pontosságú vizsgálatát. A zoomoptika pozicionálása és fókuszálása egy CNC-vezérlés révén, illetve manuálisan, egy joystick segítségével végezhető. Különböző zoom beállítások állnak rendelkezésre a kívánt nagyítás kiválasztásához. A teszttárgy különféle módon történő megvilágításával többféle feladat is elvégezhető. A MultiRing sötét mezős beeső fénnyel pl. adott szögű megvilágítás biztosítható, ami hangsúlyosabbá teszi az éleket az érdességük vizsgálatához. A világos mezős beeső fényű merőleges megvilágítással az ellenőrizhető, hogy szennyezik-e a felületet anyagi részecskék.
Andreas Thies ezt a rugalmas eszközt használta komponensek „fényképezésére” is. „Néhány perc alatt rendkívül nagy felbontású raszterképet készítettem a vizsgált lapkáról, teljesen automatikusan. A művelet során nagy számú felvétel készült egy adott raszterben, majd ezekből a rendszer egy nagyobb képet hozott létre. Ez már a lapka legkisebb részleteit is tartalmazza, így kiváló alapot jelent bármilyen tudományos elemzéshez.”
Rizsszem nagyságú komponensek
A Ferdinand Braun Intézet, Leibnitz Nagyfrekvenciás Technológiai Intézet (FHB) nemzetközileg vezető szerepet tölt be a mikrohullámú technológia és az optoelektronika alkalmazásorientált és ipari célú kutatásában. Az intézet tagja a Forschungsverbunds Berlin e.V. kutatási konzorciumnak, a Leibnitz Társaságnak, továbbá számos kutatási hálózatnak aktív résztvevője. Az FBH nagyfrekvenciás komponensekhez állít elő áramköröket III/IV kompaund félvezetőkből a műszaki kommunikáció, a teljesítményelektronika és szenzorok számára. Az intézet emellett nagy teljesítményű diódalézereket gyárt anyagfeldolgozási, orvostechnikai és precíziós méréstechnikai feladatokhoz. Az FBH ipari partnerekkel, kutatóközpontokkal és egyetemekkel együttműködve ad lendületet az ilyen irányú fejlesztéseknek. Az intézet több alkalommal részesült elismerésben, amiért sikerrel viszi át kutatási tevékenységét a gyakorlatba.
Forrás: Werth Messtechnik GmbH.
