Contactless positioning for microwave measurements

Abstract

The production of integrated circuits and electronic devices demands a high level of quality and process control. The standard procedure to test a device for functionality is to contact it with probes that have the same or even greater size than the device itself. A lot of research is done to remedy this by introducing probes and measurement techniques, where a sharp tip of few nanometres radius maps the local properties of a device. The lateral resolution of these probes extends into the nanoscale. This great locality of the measurement demands the probe to be in mechanical contact, or few tenths of nanometres off, the device surface. Many measurement methods therefore fail when a device is passivated, since passivation layers can have up to micrometersof thickness. Another problem is the mechanical interaction with the surface, which can damage the probe and device surface. Recently high frequency measurement methods which interface the probe to a Network Analyser have emerged that operate within the microwave spectrum. These are able to extend the penetration depth past the passivation and enable accurate subsurface imaging. These methods rely on the capacitive coupling between the tip and the device, which is highly position sensitive and influences reflection and transmission coefficients at the tip to sample interface.In this work a positioning strategy is proposed and implemented to accurately position a cantilever probe, which is based on a dierential measurement of the reflection coefficient. This implementation aims to be as non-invasive as possible, meaning the positioning process does not require any physical tip-surface-interaction during the measurement. With a calibration of materials, regarding their tip to sample surface distance, a defined vertical position can be established. Lateral position information can be derived from material property changes, which are translated to different tip to sample surface distances during a scan. This also offers the possibility of detecting material faults, since every known material composition has its own assigned distance. Typical vertical positioning errors are below 30 nm and lateral positioning errors are within 150 nm in the presented experiments. The procedure is limited in speed by the filter bandwidth and the data transmission rate of the involved measurement equipment to about 10 micrometers per minute.

Die Produktion von integrierten Schaltungen und Computerchips erfordert ein hohes Maß an Güte in der Qualitäts- und Prozesskontrolle. Der industrielle Standard zur Prüfung auf Funktion ist den Chip mit Prüfspitzen zu kontaktieren. Jedoch sind die Kontaktflächen, die dazu benötigt werden, groß , wodurch nicht auf interne Charakteristika geprüft werden kann. Viel Forschung beschäftigt sich mit kleineren Prüfspitzen und neuen Messmethoden, bei der mit scharfen Prüfspitzen von wenigen Nanometern Enddurchmesser lokale Eigenschaften von Prüflingen abgebildet werden können. Diese Spitzen erlauben Messungen mit Nanometer-Auflösung. Die Lokalität der Messung erfordert, dass die Spitze in mechanischem Kontakt mit der zu prüfenden Stelle, oder nur wenige zehn Nanometer davon entfernt ist. Passivierung von Prüflingen macht diese erforderliche Nähe oft unmöglich, da sie bis zu Mikrometer dick sein kann. Zusätzlich kann der andauernde Kontakt zur Oberfläche während des Messvorganges sowohl die Spitze, als auch den Prüfling beschädigen. Messmethoden, die diese Prüfspitzen mit Hochfrequenzmessgeräten, z.B. Netzwerkanalysatoren, verbinden und Messungen im Mikrowellenspektrum durchführen, sind in der Lage Passivierungen zu durchdringen und akurate Messergebnisse ohne direkten Kontakt zu liefern. Sie basieren auf den Reflexions- und Transmissionkoeffizienten an dem kapazitiven Übergang zwischen der Prüfspitze und dem Prüfling, der stark von der Positionierung der Spitze abhängt. In dieser Arbeit wird eine Strategie zur Positionierung von elektrisch leitfähigen Rasterkraftsonden präsentiert, die auf differenziellen Hochfrequenzmessungen des Reflexionskoeffizienten basiert. Diese Implementierung hat das Ziel kontaktlos zu sein. Durch Kalibration von Materialien auf Abstände zwischen der Spitze und Oberfläche kann eine vertikale Position vorgegeben werden. Laterale Information zur Positionierung wird aus Veränderungen von Materialeigenschaften gewonnen, die durch die Messmethode in unterschiedliche Abstände zwischen der Spitze und der Oberfläche während eines Scanvorganges umgewandelt werden. Dies hat den Vorteil, dass auch Materialfehler erkannt werden können, da diese in einer unerwarteten Distanz zur Oberfläche münden. Der typische Positionierfehler liegt in der Vertikalen bei weniger als 30 nm und lateral bei weniger als 150 nm in den präsentierten Versuchen. Die Scangeschwindigkeit ist durch Messzeitkonstanten auf etwa 10 Mikrometer pro Minute begrenzt.