Este breve memorándum resume las metodologías utilizadas en la metrología de semiconductores, utilizadas para la inspección de obleas de silicio.
La metrología de semiconductores implica la medición y el análisis precisos de las obleas utilizadas para producir circuitos integrados de aplicación específica (ASIC). El objetivo es garantizar la calidad y el rendimiento de la colocación de transistores a escala atómica durante la fabricación del dispositivo, ya que incluso una desviación de un picómetro en el proceso de fabricación afectaría el rendimiento.
A continuación se describen algunas de las técnicas e instrumentos utilizados para la medición de la calidad, junto con una descripción general de su función en el proceso:
Los microscopios ópticos tradicionales (utilizados en biología) requieren que la luz atraviese directamente la muestra («se transmita») para detectar cambios de fase. Sin embargo, las obleas de silicio son completamente opacas y altamente reflectantes. Dado que la luz no puede atravesar una oblea de silicio, estos sistemas estándar no pueden utilizarse.
En cambio, la inspección de obleas utiliza luz reflejada, con algunas variantes: Campo claro, Campo oscuro y DIC (Contraste de interferencia diferencial). Campo claro utiliza una luz que incide directamente sobre la oblea y se refleja hacia arriba, mientras que Campo oscuro utiliza una luz que incide sobre la oblea en un ángulo oblicuo pronunciado, lo que permite detectar defectos en relieve como contaminación por partículas, microarañazos y otros defectos.
El microscopio de contraste de interferencia diferencial (DIC) es el más interesante para el estudio de obleas. Utiliza luz polarizada y un prisma de Wollaston especializado para dividir la luz en dos haces, reflejarlos en la superficie y recombinarlos. Permite revelar diferencias de altura microscópicas y texturas superficiales, ofreciendo una observación tridimensional de la oblea. (Imagen: Nikon Microscopy, https://www.microscopyu.com/techniques/dic/reflected-light-dic-microscopy)
Microscopía electrónica de barrido (MEB)
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La microscopía electrónica de barrido (MEB) es uno de los instrumentos más comunes en la fabricación de semiconductores debido a su capacidad para observar detalles mucho más pequeños que los microscopios ópticos (resolución 100 veces mayor). En lugar de luz, la MEB utiliza un haz de electrones enfocado para escanear la superficie de la oblea, lo que le permite producir imágenes tridimensionales de alta resolución de su topografía y composición.
A diferencia del microscopio óptico, que puede tomar una imagen de una sola vez, el microscopio electrónico de barrido (SEM) necesita escanear la oblea punto por punto con un haz de electrones muy fino y luego reconstruir la imagen, donde el brillo de cada píxel depende de la cantidad de electrones detectados en la ubicación correspondiente de la oblea. El escaneo no utiliza partes mecánicas, sino bobinas magnéticas que generan campos que enfocan el haz de electrones en un punto de tan solo unos pocos nanómetros de ancho (similar a los antiguos y voluminosos televisores CRT).
Microscopía de fuerza atómica (AFM)
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La microscopía de fuerza atómica (AFM) es fundamentalmente diferente de la microscopía electrónica de barrido (SEM): en lugar de utilizar electrones, emplea una punta ultrafina en una palanca flexible para “sentir” y mapear la topografía de una superficie a escala atómica, de forma similar a como una persona ciega lee Braille. Un AFM mide la topografía de la superficie.
Al igual que un microscopio electrónico de barrido (SEM), el microscopio de fuerza atómica (AFM) escanea la superficie punto por punto. Sin embargo, en lugar de registrar los electrones emitidos, el AFM mide múltiples parámetros, como la altura de la punta, la deflexión del voladizo y la fuerza de interacción, lo que da como resultado un mapa de superficie tridimensional real.
La viga en voladizo puede interactuar con la muestra en múltiples modos: en el modo de contacto, la punta permanece en contacto continuo con la oblea. En el modo de contacto intermitente, la viga oscila cerca de su frecuencia de resonancia, y los breves contactos con la superficie modifican su amplitud de oscilación. También existe un modo sin contacto que utiliza fuerzas de atracción como principio de medición, pero que es más propenso a una menor relación señal-ruido.
La difracción de rayos X (DRX) es muy diferente de los instrumentos anteriores, que examinaban principalmente la superficie de una oblea, mientras que la DRX analiza la estructura cristalina (o atómica) en el interior del material.
Es uno de los instrumentos de medición no destructivos más importantes para determinar si una oblea de silicio tiene la orientación cristalina, el espaciado de la red, la tensión y la calidad cristalina correctos. La difracción de rayos X (DRX) es indispensable porque, incluso si una oblea parece impecable bajo un microscopio de superficie, los cambios sutiles en la red cristalina detectados por la DRX pueden afectar significativamente el rendimiento del transistor y el rendimiento de fabricación.
| Método | # | Resolución | Velocidad | Costo | Uso típico | | —————— | —- | ———– | ——— | —- | —————————– | | Óptico | ~ 2D | ~0,2 µm | Muy rápido | Bajo | Inspección rutinaria de obleas | | SEM | ~ 2D | 1–10 nm | Lento | Alto | Análisis detallado de defectos | | AFM | 3D | <1 nm (vertical) | Muy lento | Alto | Medición de la rugosidad superficial | | Rayos X | 3D | Variable | Moderado | Alto | Inspección de la estructura interna |
Conceptos de alto nivel sobre microscopía de fuerza atómica
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La segunda parte de este memorándum trata sobre NearField Instrument, una empresa derivada de TNO que ahora forma parte del ecosistema europeo de semiconductores. Su producto más reciente, llamado QUADRA, es un sistema de microscopía de fuerza atómica.
Descripción general del sistema de alto nivel
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El diagrama que aparece a continuación es una representación simple y de alto nivel del sistema QUADRA.
Hay algunas cosas que vale la pena destacar:
Control de temperatura: El microscopio de fuerza atómica (AFM) es extremadamente sensible a las fluctuaciones de temperatura alrededor de la sonda. Por lo tanto, cuanto menos calor genere el sistema de control de movimiento de la punta, mejor.
Líneas de escaneo frente a unión: Los sistemas más nuevos han evolucionado desde un conjunto tradicional de mediciones de baldosas unidas a una línea de escaneo completa y una medición ininterrumpida de la oblea.
Ajuste fino: Aunque el sistema necesite un ajuste fino continuo, la clave es que genere datos extremadamente fiables y reproducibles, de modo que el aprendizaje pueda volverse predecible.
Rendimiento (Latencia): Dada la enorme cantidad de datos que se deben procesar, el rendimiento de la transferencia de datos, medido como latencia, es esencial para un funcionamiento óptimo.
Análisis de datos y exploración en profundidad: QUADRA genera gran cantidad de datos, por lo que el sistema debe funcionar en torno a los KPI. Para cada KPI, el usuario debe poder profundizar en los datos medidos específicos.
Descripción general de alto nivel de la mecatrónica
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El diseño mecatrónico de QUADRA se basa en sondas AFM miniaturizadas (MAFM): cada sistema QUADRA tiene 4 MAFM, y cada MAFM tiene su propio brazo de unidad de posicionamiento (PU) para poder alcanzar las ubicaciones independientes de la oblea.
Para que la microscopía de fuerza atómica (AFM) sea precisa, es fundamental reducir el ruido mecánico. Para ello, QUADRA utiliza una arquitectura invertida, donde la oblea se sujeta mediante vacío a un soporte y la punta se aproxima a su superficie desde abajo (véase el diagrama a continuación). Esto permite acortar el ciclo mecánico y reducir el ruido producido por resonancias mecánicas al eliminar los puntos de excitación.
Conexiones cinemáticas conmutables
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El acortamiento se logra cambiando la conexión cinemática del MFAM de la PU a una placa de rejilla: esta placa proporciona una superficie de referencia cercana y muy estable para el AFM. Una vez que el cabezal de medición del AFM se fija a ella, la posición del voladizo se define en relación con esa referencia local, en lugar de con la estructura principal de la máquina. Esto reduce los errores mecánicos y mejora la precisión de la medición.
(Fuente de la imagen: 2024 NFI folleto )
Como se explicó anteriormente, los instrumentos AFM típicos utilizan el modo de contacto intermitente. QUADRA cuenta con un nuevo e innovador modo llamado Modo Relámpago, que permite realizar escaneos de alta velocidad de hasta 1 MPix/s (megapíxeles por segundo). Este modo se basa en tres pilares: algoritmos avanzados de control del escáner Z que permiten aprovechar todo el ancho de banda mecatrónico del escáner Z para el seguimiento de la topografía; un control activo de voladizos de respuesta rápida que permite que el voladizo, actuando como sensor, reaccione rápidamente a los cambios topográficos (lo que se conoce como bucle de retroalimentación); y, por último, pero no menos importante, algoritmos inteligentes de fusión de datos donde se combinan múltiples señales del MAFM para reconstruir la imagen topográfica.
Para obtener más información, consulte el documento informativo NFI QUADRA paper.
Verificación de semiconductores: SoC basados en chiplets
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Con un sistema QUADRA tan potente, es posible verificar, entre otras cosas, el SoC basado en chiplets Asimov de Positionron.
Estos son algunos de los elementos que deben verificarse:
- Unión de encapsulado: Los chiplets dependen de pasos ultrafinos (microprotuberancias de 5 a 50 µm o cobre directo a dieléctrico submicrométrico). Se puede utilizar AFM para medir mapas topográficos de la superficie a escala de picómetros;
Nanoprobación eléctrica: Debido a que los chiplets están empaquetados muy juntos en arquitecturas 2.5D o 3D, las sondas de prueba tradicionales no pueden alcanzar físicamente las interconexiones internas. AFM conductivo (C-AFM): El C-AFM hace pasar una corriente a través de una punta conductora ultraafilada para mapear variaciones eléctricas localizadas (*NDLR: No estoy seguro de si QUADRA admite C-AFM).
Análisis de dopantes: Una ventaja fundamental de un SoC con chiplets es la combinación de nodos (por ejemplo, un chiplet lógico de 3 nm junto con un chiplet de E/S de 14 nm). Los sistemas AFM equipados con microscopía de capacitancia de barrido (SCM) mapean las concentraciones de portadores activos y los perfiles de dopantes en diferentes materiales semiconductores. Esto verifica que los nodos de procesamiento cumplan con sus características eléctricas objetivo después de someterse a ciclos térmicos inducidos por el encapsulado.
Tensión interfacial: La integración de materiales con diferentes coeficientes de expansión térmica (CTE) puede provocar deformaciones, delaminación o tensión termomecánica. La microscopía de fuerza atómica (AFM) mide la elasticidad, la dureza y la adhesión en las interfaces del chiplet, el interponedor y el puente de silicio.
- Caracterización térmica: La punta del microscopio de fuerza atómica (AFM) con un microtermopar incorporado (también conocido como microscopía térmica de barrido o SThM) puede mapear los límites térmicos a microescala y rastrear las rutas de disipación de los puntos calientes, lo que garantiza que el diseño complejo del SoC no conduzca a un sobrecalentamiento localizado destructivo.
Una cuestión más interesante es cómo se podría utilizar QUADRA para garantizar el empaquetado avanzado y la unión híbrida de la arquitectura 3D del Quantware VIO-40K. Dejaré esto para un informe posterior.
¡Voilà! Este fue otro memorándum súper breve, y espero que ayude al lector a comprender mejor los desafíos y las posibles soluciones en la metrología de obleas de silicio.
Lo interesante es que, dado el progreso y la actividad en la arquitectura innovadora de ASIC para inferencia de IA (https://qsysarch.com/posts/ai-inference-hardware-acceleration-architecture/), ¡las empresas en expansión que se dedican a la metrología de silicio tienen un futuro brillante por delante!
(Una sala limpia - fuente: NFI)
References:
DrawIO diagrams used in this memo:
.drawio
.webp
.svgoptical microscopy reflected light differential inference contrast