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1. INTRODUÇÃO

Este trabalho trata do assunto sobre microscopia óptica como uma técnica paracaracterização e inspeção de padrões em microeletrônica.

Apesar desta ser uma das mais antigas técnicas, o microscópio representa uma grandeajuda 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 sesabe 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 variadasaplicações, que vão desde a biologia até, mais recentemente, a microeletrônica e a astronomia (emobservação minuciosa de fotos tiradas com telescópios potentes). O avanço da eletrônica eengenharia em si, tem permitido hoje em dia que se produzam instrumentos ópticos de grandeprecisão e comodidade para quem os utiliza. Vale citar como exemplo, um microscópio que faz usode uma tela de cristal líquido colorido de alta resolução para visualização das amostras, e cujosistema 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 microeletrônicaestão diretamente ligadas ao desempenho do circuito integrado. Assim, no controle da fabricaçãode circuitos integrados e dispositivos microeletrônicos, é necessário verificar e medir a geometriadas estruturas construídas na superfície dos wafers. Devido à alta integração, esse controletorna-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 ospadrões das lâminas de semicondutores, na fabricação dos circuitos integrados e dispositivos demicroeletrônica de todos os tipos, o microscópio é necessário para verificar e medir as estruturasque são produzidas na superfície das lâminas e que constituem os dispositivos.

Com o aumento da integração desses circuitos necessita-se de uma maior atenção paracontrolar o processo. O que pode não ser óbvio é o contexto em que se inserem os microscópiosópticos nesse controle. Contudo, esta classe de instrumentos de medidas diretas temcontinuamente experimentado sua própria forma de evolução, de modo a permanecer em muitasáreas do processamento de lâminas.

Pode-se citar também os testes elétricos que são de difícil realização, além da possibilidadede destruição do dispositivo. Mesmo a alocação das pontas de prova exige precisão ou em padrõesde resistes em circuitos integrados; às soldas das juntas é o mais importante, também em algunscasos é o único meio para observação, envolvendo o olho humano, é através de um microscópioóptico. É nesse contexto que se inserem as técnicas de microscopia óptica.

Muitos fabricantes de produtos eletrônicos têm produzido sistemas ópticos, parcial outotalmente automatizados que superam a capacidade humana com auxílio de um microscópio emalgumas tarefas. Entretanto, o microscópio óptico permanece.

Com os recursos das ferramentas de CAD os fabricantes de microscópios são capazes deprojetar sistemas de lentes que têm ampliações ou resoluções que atingem o limite do comprimentode onda da luz. Além do mais, maiores esforços têm sido feitos com relação ao aprimoramento dascaracterísticas de estabilidade e ergonomia(conjunto de estudo, que visam a organização metódicado trabalho em função do fim do proposto e das relações entre homem e máquina).

Diante da importância da microscopia óptica na caracterização de microeletrônica, essetrabalho vem apresentar as técnicas e construção dos mais variados tipos de microscópios, cujoemprego em microeletrônica vai desde o controle de fabricação até mesmo à caracterização,análise de falhas e engenharia reversa.

2. Microscópio Óptico- Aspectos Gerais

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O microscópio é um dos instrumentos mais versáteis e utilizados no laboratório desemicondutores.

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 aindafreqüentemente usado para olhar e medir o tamanho, o tipo e a densidade de defeitos em circuitossemicondutores.

A identificação e análise de partículas requer uma certa prática e habilidade por parte domicroscopista. A técnica é mais usada para partículas maiores de 1 micrômetro e as análisesdependem da combinação entre o desconhecimentos dos dados e o que se sabe sobre aspartículas.

O microscópio apresenta dois sistemas de lentes convergentes; a objetiva e a ocular. Aobjetiva é um conjunto de lentes que apresenta pequena distância focal e que fornece uma imagemreal 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 seformou em pela objetiva.

A objetiva e a ocular são dispostas nas extremidades de um cilindro oco, constituindo acoluna do microscópio e que possui a capacidade de se aproximar ou afastar da amostra para quese tenha a focalização perfeita. Isto é realizado por intermédio de uma cremalheira que se achaassociada a uma roda dentada.

A potência do microscópio é resultado do produto da ampliação linear da objetiva pelapotência da ocular; seu valor será elevado quando as distâncias focais da objetiva e ocular forempequenas.

O poder separador, ou distância mínima distinguível entre dois pontos é limitado peladifração da luz. Assim, se o feixe de luz incidente tive uma abertura angular grande e utilizarmoslentes 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 domicroscópio 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 sistemaóptico de ampliação; uma fonte de luz; e um estágio de visualização. A figura 2 ilustra esseselementos separadamente, referentes a um microscópio estéreo "zoom" (o qual permite um efeitode aproximação da imagem focalizada sem que se necessite trocar a objetiva). A complexidadetotal do sistema é aumentada dramaticamente quando se tenta aumentar a capacidade deampliação 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 tipode Huygens [Ref. 1]. Suas principais características são a simplicidade de construção, baixo custo ede desempenho adequado para muitas aplicações. Contudo ela possui uma cobertura de campolimitada e uma pequena tensão de relaxamento, que é a propriedade que a lente possui de evitar ocansaço da visão em observações muito longas.

Temos ainda outros quatro tipos de oculares usadas nos microscópios e que estãoilustradas 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 parapessoas 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 ofereceuma tensão de relaxamento igual ao da Hi-Point.

A ocular Hyperplane Compensating é idêntica ao modelo de Huygens exceto que, por umadiferença na construção, ela evita a aberração cromática lateral, isto é, distorções das cores naparte periférica do campo de observação, que é comum nas outras oculares.

A ocular Ultraplane é projetada especificamente para aplicações fotográficas. Possui umacorreção 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 picoinicial, 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

δ.0.61 λ

.n sin( )θ ou δ

.0.61 λNA

A abertura numérica que aparece na equação acima expressa o poder de resolução daslentes e o brilho da imagem formada, quando maior a abertura numérica melhor a qualidade daresolução, em compensação há um comprimento da profundidade de foco definida na equação-2.

Equação-2

Dfocus λ

.4 ( )NA 2

As lentes objetivas, são responsáveis pela ampliação da amostra. Para uma alta ampliaçãoe 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( )θ

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 ópticodiscriminar 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 dasobjetivas 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 e0,50mm de acordo com a abertura numérica, enquanto as objetivas LWD com distâncias variandoentre 8mm e 11mm.

As objetivas LWD de abertura numérica relativamente baixa requerem mais iluminação daamostra do que com a objetiva padrão correspondente.

3.3-Sistema de Ampliação

Consiste de um certo número de componentes individuais, os quais comentaremos aseguir:

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a) LENTES OBJETIVAS - Cuja função é dar uma imagem aumentada da amostra. Essas lentes sãoconsideradas 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 deinteresse 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 doobjeto observado, e é geralmente escrito na lateral da lente e é a medida da fineness. É um númerode 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 deespecial importância quando circuitos integrados são inspecionados com grandes ampliações, ecuja pastilha ("die") ainda se encontra montada no encapsulamento. Pois, se a profundidade focalfor muito pequena, a objetiva se posicionará muito próximo à amostra quando da focalização, o quepode ser impedido pela espessura do encapsulamento.

b) LENTES DE CAMPO - Instaladas entre a objetiva e a ocular. Estas são freqüentementeajustadas 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 suasuperfície.

O arranjo denominado por "HI-POINT" oferece a vantagem de uma tensão de relaxamentomaior, recomendável para pessoas que usam óculos, e desvantagem de possuir uma cobertura decampo limitada. Js o tipo "WIDE-FIELD" oferece maior cobertura de campo com igual tensão derelaxamento que o anterior. A ocular "HYPERPLANE COMPENSATING" é idêntica ao modelo"HUYGENS" (mostrado na figura 1), exceto que por uma diferença de construção. Ela evitaaberrações cromáticas nas bordas, o que é comum fs outras oculares. Finalmente, o arranjo ocular"ULTRAPLANE" é projetado especialmente para aplicações fotográficas. Possui uma excelentecorreção óptica exceto pela distorção que está presente em alguns graus devido à curvatura dalente.

Uma aproximação da potência de ampliação de um microscópio é obtida pela multiplicaçãoda 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 oolho. 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( )microscópiomínimoNA( )olho

M 1.40.002

M .700 X

Como um exemplo ilustrativo considere que a NA de um microscópio seja 1.4 e a NA doolho 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 ladoda imagem, é o comprimento ao longo do eixo óptico para uma posição constante de focalização daobjetiva, o nível da imagem é variada sem causar distúrbios na nitidez da imagem no centro docampo. Do lado do objeto, é oo comprimento ao longo do eixo óptico do microscópio para um nívelconstante da imagem, a posição de focalização da objetiva é variada sem causar distúrbios nanitidez da imagem em um ponto no centro do campo definida pela equação-6

Equação-6

DF 1000..7 ( )..N A obj m

I

.2 ( )NAobj 2

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. Nosmicroscópios modernos, o fator de magnificação das suas lentes esta marcado na sua carcaça. Emmuitos a magnificação total é medida por intermedio de um micrômetro colocado no plano daimagem.

A faixa de magnificação usada, é a faixa da magnificação linear total da imagem (vistoatravés do microscópio ou da tela de projeção) na qual esta é vista de uma forma nítida econfortável. Está representada por mu.

<<.500 NAobj mu .1000 NAobj

Quando observado por recursos de fotometria, é possível obter fatores de magnificação trêsvezes acima do limite.

3.5-Diâmetro do campo ocular

Para uma melhor observação, o diafragma ocular tem que Ter uma abertura grande para oolho observar uma maior área do objeto. Geralmente esta área é da ordem de 20 mm. Comobjetivas planas, oculares altamente corrigidas do tipo grande ângular, o diâmetro conseguido émelhor que 30 mm. Para uma ocular com número de magnificação maior que 10, o diâmetromáximo do diafragma, é limitado pleo máximo ângulo de campo que o observador vêconvenientemente, que é por volta de 50º, definida pela equação-7

Equação-7

D( )mm ..2 tan w2

250MNocl

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. Emparticular, qualquer vibração entre a lâmina e o corpo do microscópio deve ser reduzida ao mínimoabsoluto, uma vez que tal vibração pode ser aumentada pelo próprio fator de ampliação domicroscópio. Em outros instrumentos uma vibração de milésimos de milímetro entre as partes podeser completamente desprezível, mas em um microscópio isto poderia se tornar uma característicamuito indesejável. Assim, a base e o braço de um microscópio devem fornecer uma rígida estruturade suporte para a plataforma de amostra (ou platina) e o corpo como um todo e que seja suficientepara resistir às vibrações normais presentes num laboratório.

As plataformas de observação se dividem em dois tipos principais, que são o regular e oinversor. Estágios inversores são freqüentemente usados em trabalhos metalográficos, onde a áreada amostra de interesse pode estar localizada na face inferior de uma superfície. Estágios regularessão mais comuns em trabalhos de análise de falhas em geral, onde pode não se possível ouimpraticável colocar a amostra na posição invertida, pois partículas apoiadas na superfíciecertamente cairiam e não seriam detectadas se fosse utilizado o modo invertido.

Quando ao movimento, existem estágios imóveis, outros com movimentos nas direções x ey e ainda aquele que possuem movimentos rotacionais além do movimento nas direções x e y.

As considerações mecânicas são especialmente importantes para aplicações emfotomicrografia. 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 deergonomia preestabelecidos para que o usuário desse equipamento se sinta confortável ao fazersuas 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 afocalização fina. O primeiro sistema consiste de um mecanismo de direção que move o braço ou oplano 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. Apartir daí, utiliza-se a focalização fina onde os movimentos são precisamente controlados para seobter uma profundidade de foco em torno de 0.2um ao se usar objetivas de alta potência deampliação.

3.8- Sistema de Iluminação

O sistema completo consiste de uma fonte de luz, um condensador de iluminação, umdiafragma 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 deluz para a iluminação da amostra.

Em um microscópio podemos ter o sistema de iluminação situado abaixo ou acima do planode amostra. Para amostras opacas, como é o caso em microeletrônica, os microscópios utilizadoscaracterizam-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 ossistemas de iluminação de campo claro (brigthfield), campo escuro (darkfield) e de interferênciadiferencial. 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 daobjetiva em direção à amostra que está sendo observada. A amostra então é vista pela luz que elareflete.

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 modopara se examinar uma superfície polida.

No modo de iluminação de campo escuro a luz é direcionada para o exterior do cone que aobjetiva compreende para iluminar a lâmina obliquamente. Somente a luz que é refletida oudifratada pelas características da amostra entra na objetiva. Assim, a amostra aparece como umfundo preto com as características refletidas ou difratadas aparecendo com brilho.

A iluminação de campo escuro aumenta a visibilidade de detalhes que são freqüentementeignorados pela iluminação de campo claro. Mesmo detalhes estruturais pequenos, que seencontram abaixo do limite de resolução da objetiva, são visíveis com campo escuro (esta maiorvisibilidade, que é mais parecida com a observação das estrelas mais distantes à noite, não é umaumento na resolução).

A microscopia de campo escuro é uma técnica excelente para uma varredura rápida, comum amplo campo de visão, para partículas, ranhuras ou resíduos químicos.

No sistema de iluminação um fator importante é o contraste, que está diretamente ligadocom 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 nosfeixes refletidos de luz polarizada separada por um prisma. Pode ser visto um efeito tridimensionalsobre a reflexão da amostra. Em adição, devido à diferença nos caminhos ópticos, uma amostravista com microscopia de interferência freqüentemente aparece colorida pelo sistema óptico.

Em outras palavras, a diferença de fase dos feixes de luz estão usualmente associadoscom a topologia da lâmina. Assim, a microscopia de interferência revela, em uma visão parecidacom a tridimensional, detalhes na superfície da lâmina tais como buracos, fissuras e falhas, que sãocomumente invisíveis na iluminação comum de luz refletida.

Na microscopia de fluorescência, luz ultravioleta causa aos materiais orgânicos einorgânicos a emissão de radiações características de luz visível. Substâncias orgânicas, asmaiores contaminadoras de microcircuitos, fluorescem de modo mais brilhante do que os materiaisinorgânicos que compõem o semicondutor.

A área de aplicação da microscopia de fluorescência de luz incidente inclui adetecção dofotoresiste ou outros resíduos orgânicos e de diferenças da espessura (ou estrias) nas camadas defotoresiste.

As opções de campo escuro e claro, geralmente combinadas com os modos deinterferência diferencial ou fluorescência, são usualmente disponíveis no mesmo microscópio e umoperador pode facilmente trocar um pelo outro. Além disso, tem-se a possibilidade de escolha entreluz incidente ou transmitida.

4. Traçado de raios no microscópio

A descrição dos traçados de raios é importante para entender como diversas partes de ummicroscópio moderno se interagem. Este item utiliza vários conceitos de óptica geométrica, e ilustraa 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 paramedidas de propriedades ópticas e geométricas em vários estágios do objeto.

O plano do objeto é geralmente iluminado através de diferentes arranjos ópticos, porémaqui somente iremos utilizar o arranjo chamado Köhler ilumination , para exemplificar. Asconsiderações feitas a seguir são as seguintes:

1. A de superfície luminosa da lâmpada, é projetada no plano do diafragma de abertura docondensador, e seu controle ajuste do ângulo de abertura é reduzido até um poucoantes do máximo;

2. O diafragma de campo luminoso é colocado no plano onde a imagem do plano objeto éformada 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 éuniformemente iluminada e a luz espalhada dentro da montagem opto-mecânica éreduzida 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 marginaisformados pelas lentes de tubo negativas; b)com objetiva corrigidapara 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 ummicroscópio para a inspeção de lâminas bem como a caracterização desses instrumentos e astécnicas de medição.

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5.1 Requisitos de um Microscópio

Caso se queira inspecionar soldas feitas por um soldador automático, o campo de visãodeve ser pequeno. A planaridade da amostra também é importante: se a superfície possui um altorelevo, 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 contrasteda imagem são as variações das propriedades ópticas, tais como reflexibilidade, cor, polimento eíndice de refração.

Outro importante fator é a natureza dos defeitos que se deseja encontrar. Diferentes tiposde defeitos ditam diferentes requisitos para medidas e objetivos. Por exemplo, o principal requisitoquando da medida da largura das linhas de polisilício em uma pastilha é a sua alta precisão. Paraalcançá-la, necessita-se de uma iluminação própria para fazer com que os lados das linhasapareçam claramente. Se faz necessário também um conjunto padrão de calibração de largura delinha. A profundidade de campo terá que ser pequena para limitar os erros causados pelasvariações de distância entre as superfícies da amostra e as lentes objetivas.

Outros parâmetros que são afetados compreendem a abertura numérica das objetivas e otipo de contraste usado na iluminação.

Na produção, a faixa de ampliação largamente aplicável para a inspeção de lâminas emáscaras está entre 20X a 1000X. A maioria dos fabricantes de microscópios fornecemcombinações 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, aqualidade do sistema óptico de ampliação relativamente baixa é mais importante. Uma lente bemcorrigida (evitando aberrações), de potência relativamente baixa e da mesma resolução de umalente de grande ampliação, pode ser mais útil no processamento de lâminas porque seu campo devisão torna-se até 10 vezes maior.

5.2 Tipos de Microscópios Utilizados

Entre os tipos disponíveis temos o microscópio óptico convencional e o microscópioconfocal. Apesar destes serem somente os tipos básicos de microscópios, as numerosas variações,opções e acessórios disponíveis produzem uma variedade quase ilimitada de combinaçõespossíveis para satisfazer aos requisitos de uma aplicação particular.

Empregando essencialmente a radiação na região visível do espectro eletromagnético, osmicroscópios ópticos são de três tipos básicos: microscópios compostos clássicos, estéreomicroscópios e microscópios compostos de distância de trabalho longa. A seguir descrevemos asprincipais características dos três tipos de microscópios ópticos padrão.

Microscópios compostos

Constituem o tipo mais comum de microscópios e são utilizados para as mais diversasfinalidades. 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 naaltura ou espessura da amostra podem ser aparentes ao observador se essas variações excederema profundidade de foco da objetiva que está sendo usada. Entretanto, a sensação de característicastridimensionais da amostra não serão transmitidas ao observador. Para alcançar a visãoestereoscópica verdadeira, é necessário que cada um dos olhos do observador veja a amostra deum pequeno ângulo diferente. As duas imagens dissimilares são então unidas pelo cérebro em umaúnica reconstrução tridimensional do objeto original. A figura 7 mostra o esquema óptico de umestereomicroscópio.

Este estereomicroscópio é feito de dois microscópios completos que estão inclinados umem relação ao outro de um ângulo de 8 a 12 graus dependendo do fabricante. Cada microscópioinclui uma objetiva, uma ocular e um sistema de construção, sendo este último tanto do tiporeflexivo ou refrativo. Nota-se na figura 7, que os lados interiores das duas lentes objetivas quase setocam. Esta justaposição impõe um limite no diâmetro destas lentes e isso limita sua aberturanumérica, que por sua vez restringe a faixa de grandes ampliações que está substancialmenteabaixo daquela dos microscópios não estéreo. A seguir relacionamos as características principaisdos 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-2Binocular EstéreoTotalmente metálicoEstativa de modelo clássicoAumentos: 20x, 30x, 40x e 60x2 Oculares: 10x e 15x2 Objetivas: 2x e 4xPreço: R$ 832,00

6.Exemplos de microscópios

Aqui apenas alguns exemplos de microscópios, utilizados em várias áreas fora damicroeletrônica.

Figura.16-microscópio Monocular.

Especificações:

71-12922 BioMicro MK-2MonocularTotalmente metálicoEstativa de modelo clássico, inclinávelAumentos: 40x a 600x

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2 Oculares: 10x e 15x3 Objetivas: 4x, 10x e 40xCondensador AbbeDiafragma IrisIluminador com espelhoPreço: R$ 288,00

Figura.17-microscópio multifuncional.

Especificações:

Distância de Trabalho: 200mm1 = 200 mm. 5-25x - 42,5-8,5mm1 = 250mm. 4-20x - 53-10,6mm1 = 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/sFaixa 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 paracirurgias 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 domicroscópio principal em 180 graus e ser fixado em qualquer ângulo. A câmera auxiliar e outrosequipamentos podem colaborar para documentação e fins didáticos. Um sistema de vídeo tambémpode ser acoplado. O instrumento é necessário para várias operações oftalmológicas provando sero mais avançado de sua categoria.

Distância de Trabalho: 200mm1 = 200mm 5-25x - 42,5-8,5mm1 = 250mm 4-20x - 53-10,6x1 = 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 grausDistância de operação: 175 mm.Voltagem:110 V - 60 Hz

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Figura.19-microscópio Binocular biológico

Especificações:

MARCA: MICRONALMODELO: CBA 213Com estativa de máxima estabilidade com controles coaxiais de focalização macro e microambos com percurso vertical de 30 mm composto de :botão micrométrico graduado em intervalos de 2,5 mmtrava mecânica para pré focalização e proteção da lâminabase larga com transformador universal com lâmpada de halogênio de no mínimo12V/20W, seletor para 110 ou 220 VTubo de observação binocular, inclinado em 45º, movimento giratório de 360ºCharriot mecânico, com comandos coaxiais baixos no lado direitoCondensador de campo claro, tipo ABBE, abertura numérica 1,25, com diafragma Íris comfiltro azul de aproximadamente 32,5 mm de diâmetroAnel de campo escuro para objetivas de 10x e 40x para ser acoplado na base docondensadorRevólver porta objetivas para quatro objetivasPar de oculares de campo amplo de ponto focal alto, número do campo F.N.18Quatro 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 primeirosmicroscópios.

7.Aplicação

Na aplicação abaixo mostro a foto de um microscópio da marca Nikon, no qual fiz algumasfotos das várias objetivas, de um transistor fabricado no laboratório do CCS(cento de componentessemicondutores) 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 comentareisuperficialmente 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 dispositivosprontos.

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 dedicadoaos produtos de microeletrônica

Fabricante: Nikon Inc.Modelo: Optiphot-88Características: Dispõe de uma platina de 6 X 6 polegadas que possui a capacidade demanipulação de lâminas de 4-6 polegadas. Para inspeção de máscaras, fornece umiluminador de luz refletida a 12V/50W. Todos os modos de iluminação incluindo campoclaro, campo escuro, polarização, DIC e epifluorescência são possíveis. É compatível coma óptica 210mm CF da Nikon e suporta o sistema de câmera FX com filme Polaroid.

Fabricante: Nissho OpticalModelo: DZ-240Características: Ampliação básica em torno de 10X a 60X. Objetivas auxiliares tornampossível a obtenção de uma ampliação mínima de 5X à máxima de 240X. As distâncias detrabalho variam de 38 a 170 mm. O sistema de iluminação inclui luz incidente, luztransmitida ou campo escuro.

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Fabricante: UnitronModelo: HisometCaracterísticas: Projetado especificamente para medidas de espessura ou profundidadeusando um Indicador de Foco Preciso (PFI). A resolução é confiável a 1 mícron (para maisou para menos). Possui objetivas de 10X, 20X e 40X e uma platina de 2 X 2 polegadas comajuste micrométrico por tambores. Aceita uma larga faixa de acessórios como mostradordigital X-Y e câmera de TV.

Fabricante: Wild Leitz USAModelo: Ergolux AMCCaracterísticas: Composto de um microscópio, um sistema de autofoco AMC e uma platinade 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 umaplatina totalmente automática, proporciona alto rendimento e confiabilidade.

Fabricante: Lasertec Corp.Modelo: 1LM11Características: Utiliza um sistema de óptica confocal com uma fonte de laser de HeNe quearmazena em memória somente as imagens em foco. O sistema de memória fornece umfoco crítico até uma faixa de 1mm. O tamanho mínimo de medida é de 0.25um e a unidadede medida mínima é de 0.001um.

Fabricante: Carl Zeiss, Inc.Modelo: Confocal Laser ScanCaracterísticas: Sofisticada combinação de laser com microscópio de alta potência.Diferentes lasers podem ser usados e é possível ter dois deles acoplados ao mesmo tempoe 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 (512X 512 pontos). Também é possível a observação com fonte de luz convencional e há adisponibilidade do uso de uma câmera Polaroid.

9. CONCLUSÃO

De acordo com o que foi descrito, podemos concluir que a microscopia óptica continuasendo e será ainda por um longo tempo uma técnica bastante utilizada na indústria demicroeletrônica.

Apesar do microscópio tornar a inspeção humana de lâminas tediosa e subjetiva devido àsgeometrias cada vez maisreduzidas, a automação crescente vem, por outro lado, resolver esseproblema.

Os microscópios tradicionais possuem como vantagens a sua disponibilidade, custorelativamente baixo se comparados aos equipamentos de outras técnicas, proporciona uma medidanão destrutiva da amostra e é possível se analisar toda a lâmina. A desvantagem está na suaresolução e precisão limitadas pelos sistemas ópticos tradicionais. Contudo, ainda é o meio maisprático 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", SemiconductorInternational, Volume 13, No. 5, Pág. 120-123, 1990.

[5] Rob Piercy, "Small Spot Surface Analysis Techniques", Microeletronic Manufacturing andTesting, 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, Volume8, 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