Dieses kurze Memo fasst die in der Halbleitermesstechnik verwendeten Methoden zur Inspektion von Siliziumwafern zusammen.
Die Halbleitermesstechnik umfasst die präzise Messung und Analyse von Wafern, die zur Herstellung von ASICs verwendet werden. Ziel ist es, die Qualität und Leistung der Transistorplatzierung im atomaren Bereich während der Gerätefertigung sicherzustellen, da selbst Abweichungen im Pikometerbereich die Ausbeute beeinträchtigen würden.
Hier sind einige der Techniken und Instrumente, die für Qualitätsmessungen verwendet werden, sowie ein Überblick über ihre Rolle im Prozess:
Herkömmliche optische Mikroskope (wie sie in der Biologie verwendet werden) benötigen Licht, das die Probe direkt durchdringt („transmittiert“), um Phasenverschiebungen zu detektieren. Siliziumwafer sind jedoch vollkommen undurchsichtig und hochreflektierend. Da Licht einen Siliziumwafer nicht durchdringen kann, sind diese Standardsysteme nicht anwendbar.
Stattdessen nutzt die Waferinspektion reflektiertes Licht, wobei verschiedene Varianten zum Einsatz kommen: Hellfeld, Dunkelfeld und DIC (Differential Interferenzkontrast). Beim Hellfeldverfahren fällt das Licht senkrecht auf den Wafer und wird direkt nach oben reflektiert, während beim Dunkelfeldverfahren das Licht in einem steilen Winkel auf den Wafer trifft. Dadurch lassen sich erhabene Defekte wie Partikelverunreinigungen, feine Kratzer und Mikrodefekte erkennen.
Das interessanteste Verfahren für Wafer ist das Differenzialinterferenzkontrastmikroskop (DIC). Es nutzt polarisiertes Licht und ein spezielles Wollaston-Prisma, um das Licht in zwei Strahlen aufzuspalten, diese an der Oberfläche zu reflektieren und wieder zu vereinen. Dadurch lassen sich mikroskopische Höhenunterschiede und Oberflächenstrukturen sichtbar machen, da der Wafer eine 3D-ähnliche Darstellung erhält. (Bildquelle: Nikon Microscopy, https://www.microscopyu.com/techniques/dic/reflected-light-dic-microscopy)
Die Rasterelektronenmikroskopie (REM) ist aufgrund ihrer Fähigkeit, deutlich kleinere Strukturen als optische Mikroskope sichtbar zu machen (100-fach höhere Auflösung), eines der am häufigsten verwendeten Instrumente in der Halbleiterfertigung. Anstelle von Licht nutzt die REM einen fokussierten Elektronenstrahl, um die Waferoberfläche abzutasten und so hochauflösende, dreidimensionale Bilder ihrer Topographie und Zusammensetzung zu erzeugen.
Anders als das optische Mikroskop, das ein Bild auf einmal aufnehmen kann, muss das Rasterelektronenmikroskop (REM) den Wafer Punkt für Punkt mit einem sehr feinen Elektronenstrahl abtasten und anschließend das Bild rekonstruieren. Die Helligkeit jedes Pixels hängt dabei von der Anzahl der an der entsprechenden Stelle auf dem Wafer detektierten Elektronen ab. Das Abtasten erfolgt nicht mit mechanischen Teilen, sondern mit Magnetspulen, die Felder erzeugen, welche den Elektronenstrahl auf einen nur wenige Nanometer breiten Punkt fokussieren (ähnlich wie bei alten, klobigen Röhrenfernsehern).
Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) unterscheidet sich grundlegend von der Rasterelektronenmikroskopie (REM): Anstatt Elektronen zu verwenden, nutzt sie eine ultrafeine Spitze an einem flexiblen Ausleger, um die Topographie einer Oberfläche auf atomarer Ebene zu erfassen und abzubilden – ähnlich wie ein Blinder Blindenschrift liest. Ein AFM misst die Oberflächenstruktur.
Ähnlich wie ein Rasterelektronenmikroskop (REM) tastet das Rasterkraftmikroskop (AFM) die Oberfläche Punkt für Punkt ab. Anstatt jedoch emittierte Elektronen zu erfassen, misst das AFM mehrere Parameter, darunter die Spitzenhöhe, die Auslenkung des Cantilevers und die Wechselwirkungskraft, wodurch eine echte dreidimensionale Oberflächenkarte entsteht.
Der Cantilever kann in verschiedenen Modi mit dem Messobjekt interagieren: Im Kontaktmodus bleibt die Spitze in kontinuierlichem Kontakt mit dem Wafer. Im Tapping-Modus schwingt der Cantilever nahe seiner Resonanzfrequenz, und kurze Oberflächenkontakte verändern seine Schwingungsamplitude. Es gibt auch einen berührungslosen Modus, der Anziehungskräfte als Messprinzip nutzt, aber auch anfälliger für ein geringeres Signal-Rausch-Verhältnis ist.
Die Röntgenbeugung (XRD) unterscheidet sich stark von früheren Instrumenten, die hauptsächlich die Oberfläche eines Wafers untersuchten, während die XRD die Kristall- (oder Atom-) Struktur im Inneren des Materials untersucht.
Die Röntgenbeugung (XRD) ist eines der wichtigsten zerstörungsfreien Messverfahren zur Bestimmung der korrekten Kristallorientierung, des Gitterabstands, der Dehnung und der Kristallqualität eines Siliziumwafers. Sie ist unverzichtbar, denn selbst wenn ein Wafer unter einem Oberflächenmikroskop makellos erscheint, können subtile, mittels XRD detektierte Veränderungen im Kristallgitter die Transistorleistung und die Fertigungsausbeute erheblich beeinträchtigen.
| Methode | # | Auflösung | Geschwindigkeit | Kosten | Typische Anwendung | | —————— | —- | ———– | ——— | —- | —————————– | | Optisch | ~ 2D | ~0,2 µm | Sehr schnell | Niedrig | Routinemäßige Waferinspektion | | SEM | ~ 2D | 1–10 nm | Langsam | Hoch | Detaillierte Defektanalyse | | AFM | 3D | <1 nm (vertikal) | Sehr langsam | Hoch | Messung der Oberflächenrauheit | | Röntgen | 3D | Variiert | Mittel | Hoch | Inspektion der inneren Struktur |
Der zweite Teil dieses Memos befasst sich mit NearField Instrument, einem Spin-off von TNO und mittlerweile Teil des europäischen Halbleiter-Ökosystems. Ihr neuestes Produkt, QUADRA, ist ein Rasterkraftmikroskop.
Das untenstehende Diagramm ist eine naive und abstrakte Darstellung des QUADRA-Systems.
Ein paar Dinge sind bemerkenswert:
Wärmeregulierung: Das AFM reagiert äußerst empfindlich auf Temperaturschwankungen im Bereich der Sonde. Je weniger Wärme das System zur Steuerung der Sondenspitze erzeugt, desto besser.
Scan-Lineing vs. Stitching: Neuere Systeme haben sich von einer traditionellen, zusammengesetzten Reihe von Kachelmessungen hin zu einer vollständigen Scan-Line- und ununterbrochenen Wafermessung entwickelt.
Feinabstimmung: Auch wenn das System eine kontinuierliche Feinabstimmung erfordert, liegt der Schlüssel darin, dass es äußerst zuverlässige und reproduzierbare Daten generiert, sodass das Lernen vorhersehbar wird.
Performance (Latenz): Angesichts der enormen Datenmenge, die verarbeitet werden muss, ist die Performance der Datenübertragung, gemessen als Latenz, für einen optimalen Betrieb unerlässlich.
Datenanalyse und Drilldown: QUADRA generiert große Datenmengen, daher muss das System anhand von KPIs gesteuert werden. Für jeden KPI sollte der Benutzer die Möglichkeit haben, detaillierte Messdaten abzurufen.
Das mechatronische Design von QUADRA basiert auf miniaturisierten AFM-Sonden (MAFM): Jedes QUADRA-System verfügt über 4 MAFM, und jede MAFM hat ihren eigenen Positionierungseinheit (PU), um die unabhängigen Positionen des Wafers erreichen zu können.
Für präzise AFM-Messungen ist die Reduzierung von mechanischem Rauschen entscheidend. QUADRA verwendet hierfür eine invertierte Architektur: Der Wafer wird vakuumgeklemmt auf einem Chuck fixiert, und die Spitze nähert sich der Oberfläche von unten (siehe Abbildung unten). Dadurch wird der mechanische Schleifenweg verkürzt und das Rauschen durch mechanische Resonanzen durch die Eliminierung von Anregungspunkten reduziert.
Die Verkürzung wird durch Umschalten der kinematischen Verbindung des MFAM von der PU auf eine Gitterplatte erreicht: Die Gitterplatte dient als sehr stabile, nahegelegene Referenzfläche für das AFM. Sobald der AFM-Messkopf darauf fixiert ist, wird die Position des Cantilevers relativ zu dieser lokalen Referenzfläche und nicht mehr relativ zur größeren Maschinenstruktur definiert. Dies reduziert mechanische Fehler und verbessert die Messgenauigkeit.
(Bildquelle: 2024 NFI Broschüre )
Wie bereits erwähnt, nutzen typische AFM-Geräte den Tapping-Modus. QUADRA verfügt über einen neuen, innovativen Modus namens Lightning-Modus, der Hochgeschwindigkeitsscans mit bis zu 1 MPix/s (Megapixel pro Sekunde) ermöglicht. Dieser Modus basiert auf drei Säulen: Fortschrittliche Z-Scanner-Steuerungsalgorithmen, die die volle mechatronische Bandbreite des Z-Scanners für die Topografieerfassung nutzen; eine aktive Steuerung der schnell reagierenden Cantilever, die es dem als Sensor fungierenden Cantilever ermöglicht, schnell auf Topografieänderungen zu reagieren (auch bekannt als Rückkopplungsschleife); und schließlich intelligente Datenfusionsalgorithmen, die mehrere Signale des MAFM kombinieren, um das Topografiebild zu rekonstruieren.
Weitere Informationen finden Sie in der aufschlussreichen NFI QUADRA-Broschüre paper.
Halbleiterverifizierung: Chiplet-basierte SoCs
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Mit einem so leistungsstarken QUADRA-System wird es unter anderem möglich, den auf dem Asimov-Chip von Positron basierenden SoC zu verifizieren.
Dies sind einige der Punkte, die überprüft werden sollten:
- Gehäuseverbindung: Chiplets basieren auf ultrafeinen Strukturen (5–50 µm Mikrobumps oder submikronen direkten Kupfer-Dielektrikum-Verbindungen). Mithilfe von AFM lassen sich Topographiekarten der Oberfläche im Pikometerbereich messen;
Elektrische Nanosondierung: Da Chiplets in 2,5D- oder 3D-Architekturen dicht aneinander gepackt sind, können herkömmliche Testsonden die internen Verbindungen nicht erreichen. Leitfähiges AFM (C-AFM): C-AFM leitet einen Strom durch eine ultrascharfe, leitfähige Spitze, um lokale elektrische Variationen abzubilden (*Anmerkung: Ich bin mir nicht sicher, ob QUADRA C-AFM unterstützt).
Dotierstoffprofilierung: Ein wesentlicher Vorteil von Chiplet-SoCs ist die Kombination verschiedener Fertigungsknoten (z. B. ein 3-nm-Logik-Chiplet mit einem älteren 14-nm-I/O-Chiplet). Rasterkraftmikroskope (AFM) mit Scanning Capacitance Microscopy (SCM) erfassen die Konzentrationen aktiver Ladungsträger und die Dotierungsprofile in unterschiedlichen Halbleitermaterialien. Dies bestätigt, dass die Fertigungsknoten nach den thermischen Zyklen im Packaging die angestrebten elektrischen Eigenschaften aufweisen.
Grenzflächenspannungen: Die Integration von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) kann zu Verformungen, Delaminationen oder thermomechanischen Spannungen führen. Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) misst Elastizität, Härte und Haftung an den Grenzflächen zwischen Chiplet, Interposer und Siliziumbrücke.
Thermische Charakterisierung: Eine AFM-Spitze mit eingebautem Mikro-Thermoelement (auch bekannt als Rasterthermische Mikroskopie oder SThM) kann thermische Grenzen im Mikromaßstab abbilden und die Ableitungspfade von Hotspots verfolgen, um sicherzustellen, dass das komplexe Layout des SoC nicht zu einer destruktiven lokalen Überhitzung führt.
Eine interessantere Frage ist, wie QUADRA die fortschrittliche Gehäuse- und Hybridverbindung der 3D-Architektur des Quantware VIO-40K gewährleisten könnte. Ich werde dies in einem späteren Memo behandeln.
Voilà, das war ein weiteres superkurzes Memo, und ich hoffe, es hilft dem Leser, die Herausforderungen und möglichen Lösungen in der Siliziumwafer-Metrologie besser zu verstehen.
Interessanterweise haben Scaleups, die sich mit Silizium-Metrologie beschäftigen, angesichts der Fortschritte und Aktivitäten im Bereich innovativer AI Inference ASIC eine vielversprechende Zukunft vor sich!
(Ein Reinraum - Quelle: NFI)
References:
DrawIO diagrams used in this memo:
.drawio
.webp
.svgoptical microscopy reflected light differential inference contrast