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1. INTRODUÇÃO

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.

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2. Microscópio Óptico- Aspectos Gerais

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

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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.

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Equação-1

0.61.

n.sin( )

0.61.

ou 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

4.( NA)2

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 n.sin( )

onde: 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:

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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

0.002 M 700.X

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.

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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

onde: DF - Profundidade de foco; I - Comprimento de onda; M - fator de magnificação total; Naobj - 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) 2.tan . 250

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.

1000

7.( N.A.obj).m

I

2.( NAobj)2

w

2

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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

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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).

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Figura.4-Luz com iluminação oblíquoa.

Figura.5.-Luz refletida com iluminação normal e refletor.

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Figura.6-Luz refletida com iluminação oblíqua e refletor

Figura.7-Sistema de imagem com iluminação normal.

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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.

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Figura.10-Sistema de imagem mostrando o efeito da lente de Bertrend.

Figura.11-Luz transmitida, iluminação de campo escuro com stop- diagrama no condensador.

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Figura.12-Sistema de imagem mostrando o efeito da lente de Bertrand.

Figura.13-Luz refletida, iluminação unilateral de campo escuro.

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Figura.14-Luz refletida com iluminador a 45º.

Lentes: AUX - Lente auxiliar; BI - Lente de Bertrand; Col - Coletor; Com - Condensador; Obj - Objetiva; Ocl - Ocular; PI - Lente do fotossensor incluindo a lente do olho; TI(+/-) - 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 - Diafragma de Bertrand; CAD - Diafragma de abertura do condensador; OAD - Diafragma de abertura da objetiva; LFD - Diafragma do campo luminoso; OFD - Diafragma de ocular (campo); PFD - 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.

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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.

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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aparelho pode ser equipado com o gem: 110V - 60 Hz

ixa de movimento de: 40mm.

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 X-Y com a fa Volta

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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.