microscopia óptica - DSIF

1. INTRODUÇÃO
Este trabalho trata do assunto sobre microscopia óptica como uma técnica para
caracterização e inspeção de padrões em microeletrônica.
Apesar desta ser uma das mais antigas técnicas, o microscópio representa uma grande
ajuda na verificação de microcircuitos, já que a visão humana tem suas limitações.
O Microscópio vem de duas palavras gregas e quer dizer "pequeno" e "observar". Não se
sabe exatamente quem o inventou. Dizem que o microscópio foi inventado por Zacarias Janssen,
óptico holandês; é certo porém que ele deu um ao arquiduque da Áustria de presente, em 1590.
Depois deste, muitos outros modelos foram aperfeiçoados para as mais variadas
aplicações, que vão desde a biologia até, mais recentemente, a microeletrônica e a astronomia (em
observação minuciosa de fotos tiradas com telescópios potentes). O avanço da eletrônica e
engenharia em si, tem permitido hoje em dia que se produzam instrumentos ópticos de grande
precisão e comodidade para quem os utiliza. Vale citar como exemplo, um microscópio que faz uso
de uma tela de cristal líquido colorido de alta resolução para visualização das amostras, e cujo
sistema óptico fica restrito a uma espécie de caneta óptica ligada por um cabo óptico (fibra óptica)
ao sistema de processamento digital da imagem.
As dimensões geométricas de estruturas implementadas por processos de microeletrônica
estão diretamente ligadas ao desempenho do circuito integrado. Assim, no controle da fabricação
de circuitos integrados e dispositivos microeletrônicos, é necessário verificar e medir a geometria
das estruturas construídas na superfície dos wafers. Devido à alta integração, esse controle
torna-se impossível de ser feito a olho nu ou mesmo com uma lupa simples.
Assim na verificação de produtos, o microscópio ajuda à visão humana a inspecionar os
padrões das lâminas de semicondutores, na fabricação dos circuitos integrados e dispositivos de
microeletrônica de todos os tipos, o microscópio é necessário para verificar e medir as estruturas
que são produzidas na superfície das lâminas e que constituem os dispositivos.
Com o aumento da integração desses circuitos necessita-se de uma maior atenção para
controlar o processo. O que pode não ser óbvio é o contexto em que se inserem os microscópios
ópticos nesse controle. Contudo, esta classe de instrumentos de medidas diretas tem
continuamente experimentado sua própria forma de evolução, de modo a permanecer em muitas
áreas do processamento de lâminas.
Pode-se citar também os testes elétricos que são de difícil realização, além da possibilidade
de destruição do dispositivo. Mesmo a alocação das pontas de prova exige precisão ou em padrões
de resistes em circuitos integrados; às soldas das juntas é o mais importante, também em alguns
casos é o único meio para observação, envolvendo o olho humano, é através de um microscópio
óptico. É nesse contexto que se inserem as técnicas de microscopia óptica.
Muitos fabricantes de produtos eletrônicos têm produzido sistemas ópticos, parcial ou
totalmente automatizados que superam a capacidade humana com auxílio de um microscópio em
algumas tarefas. Entretanto, o microscópio óptico permanece.
Com os recursos das ferramentas de CAD os fabricantes de microscópios são capazes de
projetar sistemas de lentes que têm ampliações ou resoluções que atingem o limite do comprimento
de onda da luz. Além do mais, maiores esforços têm sido feitos com relação ao aprimoramento das
características de estabilidade e ergonomia(conjunto de estudo, que visam a organização metódica
do trabalho em função do fim do proposto e das relações entre homem e máquina).
Diante da importância da microscopia óptica na caracterização de microeletrônica, esse
trabalho vem apresentar as técnicas e construção dos mais variados tipos de microscópios, cujo
emprego em microeletrônica vai desde o controle de fabricação até mesmo à caracterização,
análise de falhas e engenharia reversa.
2. Microscópio Óptico- Aspectos Gerais
1
O microscópio é um dos instrumentos mais versáteis e utilizados no laboratório de
semicondutores.
Para tamanhos característicos menores que submicrons seu uso se torna inviável.
A utilização do microscópio ótico não se restringe apenas a análise de características dos
circuitos integrados, é também usado para analisar partículas encontradas nos circuitos, e ainda
freqüentemente usado para olhar e medir o tamanho, o tipo e a densidade de defeitos em circuitos
semicondutores.
A identificação e análise de partículas requer uma certa prática e habilidade por parte do
microscopista. A técnica é mais usada para partículas maiores de 1 micrômetro e as análises
dependem da combinação entre o desconhecimentos dos dados e o que se sabe sobre as
partículas.
O microscópio apresenta dois sistemas de lentes convergentes; a objetiva e a ocular. A
objetiva é um conjunto de lentes que apresenta pequena distância focal e que fornece uma imagem
real e aumentada do objeto que é observado. A ocular, também formada por lentes convergentes,
funciona como uma lupa, que nos dá uma imagem virtual e aumentada da imagem real que se
formou em pela objetiva.
A objetiva e a ocular são dispostas nas extremidades de um cilindro oco, constituindo a
coluna do microscópio e que possui a capacidade de se aproximar ou afastar da amostra para que
se tenha a focalização perfeita. Isto é realizado por intermédio de uma cremalheira que se acha
associada a uma roda dentada.
A potência do microscópio é resultado do produto da ampliação linear da objetiva pela
potência da ocular; seu valor será elevado quando as distâncias focais da objetiva e ocular forem
pequenas.
O poder separador, ou distância mínima distinguível entre dois pontos é limitado pela
difração da luz. Assim, se o feixe de luz incidente tive uma abertura angular grande e utilizarmos
lentes de inversão, o poder separador será melhorado, pois elimina-se difração das bordas da lente.
A figura-1 , se mostra uma representação simplificada dos componentes essenciais do
microscópio ótico, para começar a se ter uma idéia sobre ele.
Figura. 1- Esquema de funcionamento de um microscópio simples.
3-Componentes de um microscópio
2
Um microscópio em sua constituição simples é formado por três elementos: Um sistema
óptico de ampliação; uma fonte de luz; e um estágio de visualização. A figura 2 ilustra esses
elementos separadamente, referentes a um microscópio estéreo "zoom" (o qual permite um efeito
de aproximação da imagem focalizada sem que se necessite trocar a objetiva). A complexidade
total do sistema é aumentada dramaticamente quando se tenta aumentar a capacidade de
ampliação e a qualidade de imagem.
3.1-Sistemas de lentes
A ocular representada na figura 1 é geralmente a mais usada e é referenciada como do tipo
de Huygens [Ref. 1]. Suas principais características são a simplicidade de construção, baixo custo e
de desempenho adequado para muitas aplicações. Contudo ela possui uma cobertura de campo
limitada e uma pequena tensão de relaxamento, que é a propriedade que a lente possui de evitar o
cansaço da visão em observações muito longas.
Temos ainda outros quatro tipos de oculares usadas nos microscópios e que estão
ilustradas na figura 2. São elas a Hi-Point, Widefield, Hyperplane Compensating e Ultraplane.
A Hi-Point oferece a vantagem de uma tensão de relaxamento maior (isto é bom para
pessoas que usam óculos) e possui a desvantagem de ter uma cobertura de campo limitada.
A Widefield oferece a maior cobertura de campo do que qualquer outra ocular e oferece
uma tensão de relaxamento igual ao da Hi-Point.
A ocular Hyperplane Compensating é idêntica ao modelo de Huygens exceto que, por uma
diferença na construção, ela evita a aberração cromática lateral, isto é, distorções das cores na
parte periférica do campo de observação, que é comum nas outras oculares.
A ocular Ultraplane é projetada especificamente para aplicações fotográficas. Possui uma
correção óptica excelente exceto pela distorção que está presente em alguns graus.
3.2- Resolução
A luz pode ser obtida tanto na forma de ondas bem como na forma de partículas.
Para fins de explicação dos resultados experimentais usa-se o conceito de ondas para
outros o conceito de partículas.
Segundo Raleigh dois objetos podem ser distinguidos quando o máximo central de um
coincide com o primeiro mínimo do outro, a intensidade entre dois picos descreve de 80% do pico
inicial, a figura-2 mostra este critério para o microscópio.
Figura.2- A resolução limite de um microscópio ótico.
A resolução é a mínima distância entre pontos ou partes de um objeto.
A equação-1 define o limite de resolução de um microscópio óptico segundo o critério de
Raleigh.
3
Equação-1
δ
0.61. λ
n . sin( θ )
δ
ou
0.61. λ
NA
A abertura numérica que aparece na equação acima expressa o poder de resolução das
lentes e o brilho da imagem formada, quando maior a abertura numérica melhor a qualidade da
resolução, em compensação há um comprimento da profundidade de foco definida na equação-2.
Equação-2
Dfocus
λ
2
4. ( NA )
As lentes objetivas, são responsáveis pela ampliação da amostra. Para uma alta ampliação
e uma alta resolução necessita-se de lentes objetivas com uma grande abertura numérica (NA).
Esse parâmetro determina o poder separador do microscópio e é dado na equação-3
Equação-3
NA
onde:
n . sin( θ )
n é o índice de refração do meio em que está imersa a lente frontal da objetiva.
a é o ângulo do cone de luz que penetra na objetiva.
Já o poder separador do microscópio é a medida da capacidade de um instrumento óptico
discriminar objetos pontuais muito próximos. Esta capacidade depende das figuras de difração,
desde que as aberrações do instrumento tenham sido corrigidas na equação-4.
Equação-4
P
NA
061. I
onde:
l é o comprimento de onda da radiação que ilumina o objeto.
Temos dois tipos de lentes objetivas: aquelas que possuem uma distância de trabalho
convencional e aquelas caracterizadas por uma distância de trabalho longa (LWD).
Na fabricação de semicondutores, as objetivas LWD usadas nos microscópios compostos,
têm se tornado usuais para inspeção óptica de máscaras e retículos. A característica útil das
objetivas LWD é que elas permitem um grande espaço entre as lentes objetivas e a amostra
(distância de trabalho).
Como exemplo, temos as objetivas convencionais com distâncias de trabalho entre 3mm e
0,50mm de acordo com a abertura numérica, enquanto as objetivas LWD com distâncias variando
entre 8mm e 11mm.
As objetivas LWD de abertura numérica relativamente baixa requerem mais iluminação da
amostra do que com a objetiva padrão correspondente.
3.3-Sistema de Ampliação
Consiste de um certo número de componentes individuais, os quais comentaremos a
seguir:
4
a) LENTES OBJETIVAS - Cuja função é dar uma imagem aumentada da amostra. Essas lentes são
consideradas a parte mais importante do sistema de ampliação. São classificadas como:
• Acromáticas: Ajustadas para duas cores, geralmente o vermelho e o verde (ou seja, permite
que apenas algumas cores sejam observadas, selecionando a freqüência de luz visível de
interesse por meio de seu índice de refração durante a fase de fabricação da lente).
• Apocromáticas: Ajustadas para três cores, normalmente o vermelho, o verde e o violeta.
• Não-acromática: Não ajustada para cor alguma. Possui a característica de formar halos
coloridos ao redor da imagem.
Outras importantes propriedades das lentes objetivas são:
• Poder de Ampliação:
Esse número mostra o quanto a imagem fornecida pela lente é ampliada em relação ao tamanho do
objeto observado, e é geralmente escrito na lateral da lente e é a medida da fineness. É um número
de alto valor, maior que o poder de resolução da lente.
• Profundidade Focal:
É a distância entre a objetiva e a amostra quando a imagem está em foco. É uma propriedade de
especial importância quando circuitos integrados são inspecionados com grandes ampliações, e
cuja pastilha ("die") ainda se encontra montada no encapsulamento. Pois, se a profundidade focal
for muito pequena, a objetiva se posicionará muito próximo à amostra quando da focalização, o que
pode ser impedido pela espessura do encapsulamento.
b) LENTES DE CAMPO - Instaladas entre a objetiva e a ocular. Estas são freqüentemente
ajustadas com valores típicos da ordem de 1.0, 1.25, 1.5, 2.0 de ampliação.
c) LENTES OCULARES - Podem ser classificadas em três categorias: Negativa (Huggenian),
Positiva (Ramsden) e Negativa Verdadeira ("Amplifying").
O valor de sua ampliação é marcado na lateral da ocular.
Seu principal objetivo é ampliar a imagem fornecida pela objetiva e fazer com que ela se
forme na retina do olho do observador. Por isso ela fornece uma imagem bem próxima de sua
superfície.
O arranjo denominado por "HI-POINT" oferece a vantagem de uma tensão de relaxamento
maior, recomendável para pessoas que usam óculos, e desvantagem de possuir uma cobertura de
campo limitada. Js o tipo "WIDE-FIELD" oferece maior cobertura de campo com igual tensão de
relaxamento que o anterior. A ocular "HYPERPLANE COMPENSATING" é idêntica ao modelo
"HUYGENS" (mostrado na figura 1), exceto que por uma diferença de construção. Ela evita
aberrações cromáticas nas bordas, o que é comum fs outras oculares. Finalmente, o arranjo ocular
"ULTRAPLANE" é projetado especialmente para aplicações fotográficas. Possui uma excelente
correção óptica exceto pela distorção que está presente em alguns graus devido à curvatura da
lente.
Uma aproximação da potência de ampliação de um microscópio é obtida pela multiplicação
da ampliação de cada componente individual (objetiva, lentes de campo e oculares).
A ampliação esta relacionada com o poder de resolução da objetiva do microscópio e o
olho. Contudo a imagem deve ser suficientemente resolvida em detalhes a ser visível para o olho.
A equação-5 é uma aproximada forma de calcular o poder de resolução.
Equação-5
M
máximoNA( microscópio )
mínimoNA( olho )
M
1.4
M
700. X
0.002
Como um exemplo ilustrativo considere que a NA de um microscópio seja 1.4 e a NA do
olho igual a 0.002 teremos então uma ampliação de 700 vezes.
5
3.4-Profundidade do foco
Há duas profundidades de foco, uma do lado da imagem outra do plano do objeto. Do lado
da imagem, é o comprimento ao longo do eixo óptico para uma posição constante de focalização da
objetiva, o nível da imagem é variada sem causar distúrbios na nitidez da imagem no centro do
campo. Do lado do objeto, é oo comprimento ao longo do eixo óptico do microscópio para um nível
constante da imagem, a posição de focalização da objetiva é variada sem causar distúrbios na
nitidez da imagem em um ponto no centro do campo definida pela equação-6
Equação-6
DF
1000
.
.
7 ( N A . obj ) . m
I
2
2. ( NAobj )
onde:
DF
I
M
Naobj
- Profundidade de foco;
- Comprimento de onda;
- fator de magnificação total;
- Abertura numérica da objetiva.
O fator de magnificação total, é o produto do fator de magnificação de todas as lentes:
objetiva, lente de tubo, lente ocular de campo, lente ocular do olho e todas as lentes auxiliares. Nos
microscópios modernos, o fator de magnificação das suas lentes esta marcado na sua carcaça. Em
muitos a magnificação total é medida por intermedio de um micrômetro colocado no plano da
imagem.
A faixa de magnificação usada, é a faixa da magnificação linear total da imagem (visto
através do microscópio ou da tela de projeção) na qual esta é vista de uma forma nítida e
confortável. Está representada por mu.
500. NAobj < mu< 1000. NAobj
Quando observado por recursos de fotometria, é possível obter fatores de magnificação três
vezes acima do limite.
3.5-Diâmetro do campo ocular
Para uma melhor observação, o diafragma ocular tem que Ter uma abertura grande para o
olho observar uma maior área do objeto. Geralmente esta área é da ordem de 20 mm. Com
objetivas planas, oculares altamente corrigidas do tipo grande ângular, o diâmetro conseguido é
melhor que 30 mm. Para uma ocular com número de magnificação maior que 10, o diâmetro
máximo do diafragma, é limitado pleo máximo ângulo de campo que o observador vê
convenientemente, que é por volta de 50º, definida pela equação-7
Equação-7
D( mm)
w . 250
2. tan
2 MNocl
onde:
w/2
– Metade do ângulo de campo;
Mnocl – Número de magnificação da ocular;
D
– Diâmetro;
Para w=50º isto é a 235/Mnocl.
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3.6- Sistema Mecânico
Um microscópio para ser realmente útil deve ter uma boa estabilidade mecânica. Em
particular, qualquer vibração entre a lâmina e o corpo do microscópio deve ser reduzida ao mínimo
absoluto, uma vez que tal vibração pode ser aumentada pelo próprio fator de ampliação do
microscópio. Em outros instrumentos uma vibração de milésimos de milímetro entre as partes pode
ser completamente desprezível, mas em um microscópio isto poderia se tornar uma característica
muito indesejável. Assim, a base e o braço de um microscópio devem fornecer uma rígida estrutura
de suporte para a plataforma de amostra (ou platina) e o corpo como um todo e que seja suficiente
para resistir às vibrações normais presentes num laboratório.
As plataformas de observação se dividem em dois tipos principais, que são o regular e o
inversor. Estágios inversores são freqüentemente usados em trabalhos metalográficos, onde a área
da amostra de interesse pode estar localizada na face inferior de uma superfície. Estágios regulares
são mais comuns em trabalhos de análise de falhas em geral, onde pode não se possível ou
impraticável colocar a amostra na posição invertida, pois partículas apoiadas na superfície
certamente cairiam e não seriam detectadas se fosse utilizado o modo invertido.
Quando ao movimento, existem estágios imóveis, outros com movimentos nas direções x e
y e ainda aquele que possuem movimentos rotacionais além do movimento nas direções x e y.
As considerações mecânicas são especialmente importantes para aplicações em
fotomicrografia. Os principais requisitos do sistema mecânico da platina são:
• Carga e descarga fácil (com o mínimo de manipulação ou dano).
• Movimentos ortogonais precisos nos eixos x e y.
• Folga mínima entre engrenagens.
• Necessidade de acoplamento entre os movimentos nas direções x e y.
Além da estabilidade mecânica, o microscópio deve levar em conta os padrões de
ergonomia preestabelecidos para que o usuário desse equipamento se sinta confortável ao fazer
suas observações, principalmente aquelas que exigem um tempo maior.
3.7- Sistema de Focalização
Em um microscópio, há dois sistemas de focalização da amostra: a focalização comum e a
focalização fina. O primeiro sistema consiste de um mecanismo de direção que move o braço ou o
plano de amostra. Na maioria dos modelos modernos o movimento é feito pelo plano de amostra.
No primeiro passo para a obtenção da imagem da amostra utiliza-se este tipo de focalização. A
partir daí, utiliza-se a focalização fina onde os movimentos são precisamente controlados para se
obter uma profundidade de foco em torno de 0.2um ao se usar objetivas de alta potência de
ampliação.
3.8- Sistema de Iluminação
O sistema completo consiste de uma fonte de luz, um condensador de iluminação, um
diafragma de campo, um espelho ajustável, um condensador de foco e um diafragma de abertura.
O diafragma que equipa o condensador é responsável pelo controle da abertura angular do cone de
luz para a iluminação da amostra.
Em um microscópio podemos ter o sistema de iluminação situado abaixo ou acima do plano
de amostra. Para amostras opacas, como é o caso em microeletrônica, os microscópios utilizados
caracterizam-se pela iluminação proveniente da parte superior do plano de amostra.
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A maioria dos microscópios disponíveis para a indústria de semicondutores utilizam os
sistemas de iluminação de campo claro (brigthfield), campo escuro (darkfield) e de interferência
diferencial. Alguns microscópios também possuem sistemas de iluminação de fluorescência.
No modo de iluminação de campo claro a luz viaja ao longo do eixo óptico, através da
objetiva em direção à amostra que está sendo observada. A amostra então é vista pela luz que ela
reflete.
Filtros especiais são utilizados para abrandar a luz e aumentar o contraste.
A microscopia de campo claro é a técnica mais utilizada nas aplicações de semicondutores,
fornecendo a melhor imagem e informação de toda a amostra. É considerado um excelente modo
para se examinar uma superfície polida.
No modo de iluminação de campo escuro a luz é direcionada para o exterior do cone que a
objetiva compreende para iluminar a lâmina obliquamente. Somente a luz que é refletida ou
difratada pelas características da amostra entra na objetiva. Assim, a amostra aparece como um
fundo preto com as características refletidas ou difratadas aparecendo com brilho.
A iluminação de campo escuro aumenta a visibilidade de detalhes que são freqüentemente
ignorados pela iluminação de campo claro. Mesmo detalhes estruturais pequenos, que se
encontram abaixo do limite de resolução da objetiva, são visíveis com campo escuro (esta maior
visibilidade, que é mais parecida com a observação das estrelas mais distantes à noite, não é um
aumento na resolução).
A microscopia de campo escuro é uma técnica excelente para uma varredura rápida, com
um amplo campo de visão, para partículas, ranhuras ou resíduos químicos.
No sistema de iluminação um fator importante é o contraste, que está diretamente ligado
com a qualidade da imagem e depende de vários fatores importantes.
Oculares:
• Eyepiece ou objetivas sujas degradam a qualidade da imagem;
• O contraste pode ser reduzido por um clarão, especialmente se a amostra e altamente
refletora;
• O mais sério dos problemas acontece se a amostra é vista com um pequeno contraste.
A microscopia que utiliza o contraste por interferência diferencial revela diferenças nos
feixes refletidos de luz polarizada separada por um prisma. Pode ser visto um efeito tridimensional
sobre a reflexão da amostra. Em adição, devido à diferença nos caminhos ópticos, uma amostra
vista com microscopia de interferência freqüentemente aparece colorida pelo sistema óptico.
Em outras palavras, a diferença de fase dos feixes de luz estão usualmente associados
com a topologia da lâmina. Assim, a microscopia de interferência revela, em uma visão parecida
com a tridimensional, detalhes na superfície da lâmina tais como buracos, fissuras e falhas, que são
comumente invisíveis na iluminação comum de luz refletida.
Na microscopia de fluorescência, luz ultravioleta causa aos materiais orgânicos e
inorgânicos a emissão de radiações características de luz visível. Substâncias orgânicas, as
maiores contaminadoras de microcircuitos, fluorescem de modo mais brilhante do que os materiais
inorgânicos que compõem o semicondutor.
A área de aplicação da microscopia de fluorescência de luz incidente inclui adetecção do
fotoresiste ou outros resíduos orgânicos e de diferenças da espessura (ou estrias) nas camadas de
fotoresiste.
As opções de campo escuro e claro, geralmente combinadas com os modos de
interferência diferencial ou fluorescência, são usualmente disponíveis no mesmo microscópio e um
operador pode facilmente trocar um pelo outro. Além disso, tem-se a possibilidade de escolha entre
luz incidente ou transmitida.
4. Traçado de raios no microscópio
A descrição dos traçados de raios é importante para entender como diversas partes de um
microscópio moderno se interagem. Este item utiliza vários conceitos de óptica geométrica, e ilustra
a relação entre lentes e diafragmas. Os sistemas ópticos básicos descritos aqui, são utilizados em
8
muitos microscópios. Porém muitos são equipados com partes extras, ópticas e mecânicas para
medidas de propriedades ópticas e geométricas em vários estágios do objeto.
O plano do objeto é geralmente iluminado através de diferentes arranjos ópticos, porém
aqui somente iremos utilizar o arranjo chamado Köhler ilumination , para exemplificar. As
considerações feitas a seguir são as seguintes:
1. A de superfície luminosa da lâmpada, é projetada no plano do diafragma de abertura do
condensador, e seu controle ajuste do ângulo de abertura é reduzido até um pouco
antes do máximo;
2. O diafragma de campo luminoso é colocado no plano onde a imagem do plano objeto é
formada e seus limites de ajuste é a área iluminada no plano;
3.
4. As considerações destas duas condições, é que não é possível o plano do objeto fora
da área de iluminação seja afetado por aquecimento. Portanto a área de campo é
uniformemente iluminada e a luz espalhada dentro da montagem opto-mecânica é
reduzida ao mínimo.
Figura.3-Luz transmitida, iluminação normal (köhler).
9
Figura.4-Luz com iluminação oblíquoa.
Figura.5.-Luz refletida com iluminação normal e refletor.
10
Figura.6-Luz refletida com iluminação oblíqua e refletor
Figura.7-Sistema de imagem com iluminação normal.
11
Figura.8-Sistema de imagem com iluminação oblíqua.
Figura.9-Sistema de imagem a)contendo setor com raios marginais
formados pelas lentes de tubo negativas; b)com objetiva corrigida
para distância da imagem no infinito.
12
Figura.10-Sistema de imagem mostrando o efeito da lente de Bertrend.
Figura.11-Luz transmitida, iluminação de campo escuro com stopdiagrama no condensador.
13
Figura.12-Sistema de imagem mostrando o efeito da lente de Bertrand.
Figura.13-Luz refletida, iluminação unilateral de campo escuro.
14
Figura.14-Luz refletida com iluminador a 45º.
Lentes:
AUX
BI
Col
Com
Obj
Ocl
PI
TI(+/-)
- Lente auxiliar;
- Lente de Bertrand;
- Coletor;
- Condensador;
- Objetiva;
- Ocular;
- Lente do fotossensor incluindo a lente do olho;
- Lente do tubo, +(positivo)/-(negativo).
Elementos Ópticos:
EPM - Pupila de saída do microscópio;
L
- Superfície luminosa da Lâmpada;
P
- Camada fotossensível (retina do olho, fotocatodo e filme fotográfico);
St
- Plano objeto (stage object).
Diafragmas:
BD
CAD
OAD
LFD
OFD
PFD
- Diafragma de Bertrand;
- Diafragma de abertura do condensador;
- Diafragma de abertura da objetiva;
- Diafragma do campo luminoso;
- Diafragma de ocular (campo);
- Diafragma de campo do fotômetro.
5. Microscopia e Microeletrônica
A seguir, apresentamos alguns requisitos importantes exigidos quando da escolha de um
microscópio para a inspeção de lâminas bem como a caracterização desses instrumentos e as
técnicas de medição.
15
5.1 Requisitos de um Microscópio
Caso se queira inspecionar soldas feitas por um soldador automático, o campo de visão
deve ser pequeno. A planaridade da amostra também é importante: se a superfície possui um alto
relevo, então um sistema óptico com uma grande profundidade de campo será necessário.
Diferentes exemplos de materiais apresentam problemas especiais e o que conta para o contraste
da imagem são as variações das propriedades ópticas, tais como reflexibilidade, cor, polimento e
índice de refração.
Outro importante fator é a natureza dos defeitos que se deseja encontrar. Diferentes tipos
de defeitos ditam diferentes requisitos para medidas e objetivos. Por exemplo, o principal requisito
quando da medida da largura das linhas de polisilício em uma pastilha é a sua alta precisão. Para
alcançá-la, necessita-se de uma iluminação própria para fazer com que os lados das linhas
apareçam claramente. Se faz necessário também um conjunto padrão de calibração de largura de
linha. A profundidade de campo terá que ser pequena para limitar os erros causados pelas
variações de distância entre as superfícies da amostra e as lentes objetivas.
Outros parâmetros que são afetados compreendem a abertura numérica das objetivas e o
tipo de contraste usado na iluminação.
Na produção, a faixa de ampliação largamente aplicável para a inspeção de lâminas e
máscaras está entre 20X a 1000X. A maioria dos fabricantes de microscópios fornecem
combinações de oculares de 10X a 20X com objetivas na faixa de 2X a 50X.
Para a maioria das aplicações com microscópios na fabricação de semicondutores, a
qualidade do sistema óptico de ampliação relativamente baixa é mais importante. Uma lente bem
corrigida (evitando aberrações), de potência relativamente baixa e da mesma resolução de uma
lente de grande ampliação, pode ser mais útil no processamento de lâminas porque seu campo de
visão torna-se até 10 vezes maior.
5.2 Tipos de Microscópios Utilizados
Entre os tipos disponíveis temos o microscópio óptico convencional e o microscópio
confocal. Apesar destes serem somente os tipos básicos de microscópios, as numerosas variações,
opções e acessórios disponíveis produzem uma variedade quase ilimitada de combinações
possíveis para satisfazer aos requisitos de uma aplicação particular.
Empregando essencialmente a radiação na região visível do espectro eletromagnético, os
microscópios ópticos são de três tipos básicos: microscópios compostos clássicos, estéreo
microscópios e microscópios compostos de distância de trabalho longa. A seguir descrevemos as
principais características dos três tipos de microscópios ópticos padrão.
Microscópios compostos
Constituem o tipo mais comum de microscópios e são utilizados para as mais diversas
finalidades. Distinguem-se pelas seguintes características:
• Ampliações na faixa de 25X até 1800X.
• Imagem reversa e invertida.
• Campo visual pequeno (entre 8.0 a 0.15mm).
• Distância de trabalho na faixa de 10 a 0.3mm.
• Iluminação incidente ou transmitida.
Estereomicroscópios
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Quando uma amostra é examinada sob um microscópio binocular comum, variações na
altura ou espessura da amostra podem ser aparentes ao observador se essas variações excederem
a profundidade de foco da objetiva que está sendo usada. Entretanto, a sensação de características
tridimensionais da amostra não serão transmitidas ao observador. Para alcançar a visão
estereoscópica verdadeira, é necessário que cada um dos olhos do observador veja a amostra de
um pequeno ângulo diferente. As duas imagens dissimilares são então unidas pelo cérebro em uma
única reconstrução tridimensional do objeto original. A figura 7 mostra o esquema óptico de um
estereomicroscópio.
Este estereomicroscópio é feito de dois microscópios completos que estão inclinados um
em relação ao outro de um ângulo de 8 a 12 graus dependendo do fabricante. Cada microscópio
inclui uma objetiva, uma ocular e um sistema de construção, sendo este último tanto do tipo
reflexivo ou refrativo. Nota-se na figura 7, que os lados interiores das duas lentes objetivas quase se
tocam. Esta justaposição impõe um limite no diâmetro destas lentes e isso limita sua abertura
numérica, que por sua vez restringe a faixa de grandes ampliações que está substancialmente
abaixo daquela dos microscópios não estéreo. A seguir relacionamos as características principais
dos estéreo microscópios:
• Distâncias de trabalho longas, variando entre 75 e 100mm.
• Imagem não reversa e direita (também tridimensional).
• Escala de ampliação macro (2.5X) a micro (250X-300X).
• Campo visual amplo, tipicamente 0.8mm.
• Iluminação refletida ou incidente.
Figura.15-Exemplo de Estereomicroscópios
As especificações do estereomicroscópio acima:
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75-12923 Estereomicroscópio Microview MV-2
Binocular Estéreo
Totalmente metálico
Estativa de modelo clássico
Aumentos: 20x, 30x, 40x e 60x
2 Oculares: 10x e 15x
2 Objetivas: 2x e 4x
Preço: R$ 832,00
6.Exemplos de microscópios
Aqui apenas alguns exemplos de microscópios, utilizados em várias áreas fora da
microeletrônica.
Figura.16-microscópio Monocular.
Especificações:
71-12922 BioMicro MK-2
Monocular
Totalmente metálico
Estativa de modelo clássico, inclinável
Aumentos: 40x a 600x
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2 Oculares: 10x e 15x
3 Objetivas: 4x, 10x e 40x
Condensador Abbe
Diafragma Iris
Iluminador com espelho
Preço: R$ 288,00
Figura.17-microscópio multifuncional.
Especificações:
Distância de Trabalho: 200mm
1 = 200 mm. 5-25x - 42,5-8,5mm
1 = 250mm. 4-20x - 53-10,6mm
1 = 300mm. 3,3-16,7x - 64-12,6mm.
1 = 350mm. 3-14,3x - 74-15mm.
1 = 400mm. 2,5-12,5x - 85-17 mm.
Faixa de subida vertical: 500mm.
Velocidade motorizada do zoom: 2x p/ Min.
Faixa de precisão focal: 50mm.
Velocidade de focalização: 2mm/s
Faixa livre do microscópio tanto para cima, para frente, para baixo e de lado a lado: 180º .
Fonte de iluminação de luz fria: 24V - 150W.
Comprimento máximo: 1030mm.
Ângulo: 240º .
O aparelho pode ser equipado com o X-Y com a faixa de movimento de: 40mm.
Voltagem: 110V - 60 Hz
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Figura.18-microscópio de operação para oftalmologia.
Especificações:
O produto é um novo desenvolvimento das nossas pesquisas projetado especialmente para
cirurgias oftalmológicas. Uma troca contínua do fator de aumento, possibilitando mudanças suaves.
O Tubo co-observador é equipado com três faixas de aumento e pode girar em torno do
microscópio principal em 180 graus e ser fixado em qualquer ângulo. A câmera auxiliar e outros
equipamentos podem colaborar para documentação e fins didáticos. Um sistema de vídeo também
pode ser acoplado. O instrumento é necessário para várias operações oftalmológicas provando ser
o mais avançado de sua categoria.
Distância de Trabalho: 200mm
1 = 200mm 5-25x - 42,5-8,5mm
1 = 250mm 4-20x - 53-10,6x
1 = 300mm 3,3-16,7x - 64-12,6mm.
1 = 350mm. 3-14,3x - 74-15mm.
1 = 400mm. 2,5-12,5x - 85-17 mm.
Faixa do vertical (acima e abaixo): 500 mm.
Faixa de precisão focal: 50 mm.
Velocidade do ajuste focal: 2mm./s.
Interpupilar: 55-72 mm. (com indicação)
Extensão máxima: 1030 mm.
Ângulo de giro: 240 graus
Distância de operação: 175 mm.
Voltagem:110 V - 60 Hz
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Figura.19-microscópio Binocular biológico
Especificações:
MARCA: MICRONAL
MODELO: CBA 213
Com estativa de máxima estabilidade com controles coaxiais de focalização macro e micro
ambos com percurso vertical de 30 mm composto de :
botão micrométrico graduado em intervalos de 2,5 mm
trava mecânica para pré focalização e proteção da lâmina
base larga com transformador universal com lâmpada de halogênio de no mínimo
12V/20W, seletor para 110 ou 220 V
Tubo de observação binocular, inclinado em 45º, movimento giratório de 360º
Charriot mecânico, com comandos coaxiais baixos no lado direito
Condensador de campo claro, tipo ABBE, abertura numérica 1,25, com diafragma Íris com
filtro azul de aproximadamente 32,5 mm de diâmetro
Anel de campo escuro para objetivas de 10x e 40x para ser acoplado na base do
condensador
Revólver porta objetivas para quatro objetivas
Par de oculares de campo amplo de ponto focal alto, número do campo F.N.18
Quatro objetivas acromáticas, LONG BARREL, de alta resolução, 4x/0,10, 10x/0,25,
40x/0,65 com mola e 100x/RO 1,25 com mola e imersão à óleo
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Figura.20-Exemplo do possível formato de um dos primeiros
microscópios.
7.Aplicação
Na aplicação abaixo mostro a foto de um microscópio da marca Nikon, no qual fiz algumas
fotos das várias objetivas, de um transistor fabricado no laboratório do CCS(cento de componentes
semicondutores) da Unicamp.
Figura.20-Microscópio da marca nikon utilizado para fazer as fotos.
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Figura.22-Va’rias objetivas do microscópio nikon do CCS da unicamp.
No CCS(cento de componentes semicondutores) da Unicamp, existem vários microscópios,
no qual são utilizados para vários etapas de fabricação do CI’s.
Abaixo mostro alguns dos vários microscópios utilizados no CCS e comentarei
superficialmente as suas utilizações.
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Figura.23-Microscópio utilizado para fotografar dispositivos.
Figura.24-microscópio utilizado na foto-alinhadora.
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Figura.25-microscópio utilizado para efetuar medidas nos dispositivos
prontos.
Figura.26-Micrscópio utilizado para medir o Xj do transistor.
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Figura.27-Esquemas de lentes de um monocular.
8. EXEMPLOS DE MICROSCÓPIOS EXISTENTES NO MERCADO
A relação abaixo apresenta alguns tipos de microscópios disponíveis no mercado dedicado
aos produtos de microeletrônica
Fabricante: Nikon Inc.
Modelo: Optiphot-88
Características: Dispõe de uma platina de 6 X 6 polegadas que possui a capacidade de
manipulação de lâminas de 4-6 polegadas. Para inspeção de máscaras, fornece um
iluminador de luz refletida a 12V/50W. Todos os modos de iluminação incluindo campo
claro, campo escuro, polarização, DIC e epifluorescência são possíveis. É compatível com
a óptica 210mm CF da Nikon e suporta o sistema de câmera FX com filme Polaroid.
Fabricante: Nissho Optical
Modelo: DZ-240
Características: Ampliação básica em torno de 10X a 60X. Objetivas auxiliares tornam
possível a obtenção de uma ampliação mínima de 5X à máxima de 240X. As distâncias de
trabalho variam de 38 a 170 mm. O sistema de iluminação inclui luz incidente, luz
transmitida ou campo escuro.
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Fabricante: Unitron
Modelo: Hisomet
Características: Projetado especificamente para medidas de espessura ou profundidade
usando um Indicador de Foco Preciso (PFI). A resolução é confiável a 1 mícron (para mais
ou para menos). Possui objetivas de 10X, 20X e 40X e uma platina de 2 X 2 polegadas com
ajuste micrométrico por tambores. Aceita uma larga faixa de acessórios como mostrador
digital X-Y e câmera de TV.
Fabricante: Wild Leitz USA
Modelo: Ergolux AMC
Características: Composto de um microscópio, um sistema de autofoco AMC e uma platina
de varredura S-2000. Possui uma objetiva de longa distância com uma ampliação de 125X,
tubo de observação inclinado e oculares widefield Leitz GW. Autofoco acoplado com uma
platina
totalmente automática, proporciona alto rendimento e confiabilidade.
Fabricante: Lasertec Corp.
Modelo: 1LM11
Características: Utiliza um sistema de óptica confocal com uma fonte de laser de HeNe que
armazena em memória somente as imagens em foco. O sistema de memória fornece um
foco crítico até uma faixa de 1mm. O tamanho mínimo de medida é de 0.25um e a unidade
de medida mínima é de 0.001um.
Fabricante: Carl Zeiss, Inc.
Modelo: Confocal Laser Scan
Características: Sofisticada combinação de laser com microscópio de alta potência.
Diferentes lasers podem ser usados e é possível ter dois deles acoplados ao mesmo tempo
e selecioná-los facilmente. Normalmente são usados laser HeNe (633nm), HeCe (442nm)
ou Argon ion
(488nm, 514nm). Possui um conversor A/D para formação da imagem (512
X 512 pontos). Também é possível a observação com fonte de luz convencional e há a
disponibilidade do uso de uma câmera Polaroid.
9. CONCLUSÃO
De acordo com o que foi descrito, podemos concluir que a microscopia óptica continua
sendo e será ainda por um longo tempo uma técnica bastante utilizada na indústria de
microeletrônica.
Apesar do microscópio tornar a inspeção humana de lâminas tediosa e subjetiva devido às
geometrias cada vez maisreduzidas, a automação crescente vem, por outro lado, resolver esse
problema.
Os microscópios tradicionais possuem como vantagens a sua disponibilidade, custo
relativamente baixo se comparados aos equipamentos de outras técnicas, proporciona uma medida
não destrutiva da amostra e é possível se analisar toda a lâmina. A desvantagem está na sua
resolução e precisão limitadas pelos sistemas ópticos tradicionais. Contudo, ainda é o meio mais
prático para medidas qualitativas.
10. REFERÊNCIAS
[1] Rudolf Kingslake (ed.), "Applied Optics and Optical Engineering", Volume IV, Parte I, Pág. 31-93,
1967.
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[2] Pieter Burggraaf, "Guidelines for Optical Microscopy", Semiconductor International, Volume 8,
No. 2, Pág. 54-62, 1985.
[3] Jim Dey, "In-Process Wafer Test and Measurement", Semiconductor International, Volume 11,
No. 1, Pág. 52-55, 1988.
[4] David A.Toy, "Confocal Microscopy: The Ups and Downs of 3-D Profiling", Semiconductor
International, Volume 13, No. 5, Pág. 120-123, 1990.
[5] Rob Piercy, "Small Spot Surface Analysis Techniques", Microeletronic Manufacturing and
Testing, Volume 12, No. 11, 1989.
[6] C. G. Masi, "Selecting an Optical Microscope", Test & Measurement World, Volume 8, No. 2,
Pág. 47-67, 1988.
[7]Peter H. Singer, "Life on the Edge: Measuring Critical Dimensions", Semiconductor International,
Volume 11, No. 12, Pág. 84-87, 1988.
[8] Dennis F. Paul and John S. Hammond, "Interface Characterization of Thin Film Structures",
Microeletronic Manufacturing and Testing, Volume 13, No. 5, 1990.
[9] Hansjoachim Hinkelmann, "Scanning Laser Microscopy", Semiconductor International, Volume
8, No. 2, Pág. 92-96, 1985.
[10] Pieter Burggraaf, "Wafer Inspection for Defects", Semiconductor International, Volume 8, No. 7,
Pág. 54-65, 1985.
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Microscópio Óptico
Regis Eugenio dos Santos RA: 001148
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