Ce court mémo résume les méthodologies utilisées en métrologie des semi-conducteurs, utilisées pour l’inspection des plaquettes de silicium.
La métrologie des semi-conducteurs consiste en la mesure et l’analyse précises des plaquettes utilisées pour la production de circuits intégrés spécifiques (ASIC). L’objectif est de garantir la qualité et les performances du placement des transistors à l’échelle atomique lors de la fabrication des dispositifs, car même un écart de l’ordre du picomètre dans le processus de fabrication affecterait le rendement.
Voici quelques-unes des techniques et des instruments utilisés pour les mesures de qualité, ainsi qu’un aperçu de leur rôle dans le processus :
Les microscopes optiques classiques (utilisés en biologie) nécessitent que la lumière traverse directement l’échantillon (« transmission ») pour détecter les déphasages. Or, les plaquettes de silicium sont totalement opaques et hautement réfléchissantes. La lumière ne pouvant les traverser, ces systèmes standards sont inutilisables.
L’inspection des plaquettes utilise la lumière réfléchie, avec plusieurs variantes : fond clair, fond noir et DIC (contraste interférentiel différentiel). Le fond clair utilise une lumière incidente qui éclaire la plaquette verticalement et se réfléchit directement vers le haut, tandis que le fond noir utilise une lumière incidente qui frappe la plaquette selon un angle oblique prononcé. Cette technique permet de détecter les défauts en relief tels que les contaminations particulaires, les rayures capillaires et les microdéfauts.
Le microscope à contraste interférentiel différentiel (DIC) est particulièrement intéressant pour l’étude des plaquettes de silicium. Il utilise la lumière polarisée et un prisme de Wollaston spécialisé pour diviser la lumière en deux faisceaux, les réfléchir sur la surface et les recombiner. Il permet de révéler les différences de hauteur microscopiques et les textures de surface en offrant à la plaquette une observation quasi tridimensionnelle.
(image source: Nikon Microscopy)
Microscopie électronique à balayage (MEB)
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La microscopie électronique à balayage (MEB) est l’un des instruments les plus couramment utilisés dans la fabrication des semi-conducteurs, grâce à sa capacité à observer des détails beaucoup plus fins que les microscopes optiques (résolution 100 fois supérieure). Au lieu de la lumière, la MEB utilise un faisceau d’électrons focalisé pour balayer la surface de la plaquette, ce qui lui permet de produire des images haute résolution, quasi-3D, de sa topographie et de sa composition.
Contrairement au microscope optique, qui prend une image en une seule prise, le MEB doit balayer la plaquette point par point avec un faisceau d’électrons très fin, puis reconstruire l’image. La luminosité de chaque pixel dépend du nombre d’électrons détectés à l’emplacement correspondant sur la plaquette. Le balayage ne fait pas appel à des pièces mécaniques, mais à des bobines magnétiques qui génèrent des champs focalisant le faisceau d’électrons en un point de quelques nanomètres de large seulement (un peu comme les anciens téléviseurs à tube cathodique).
Microscopie à force atomique (AFM)
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La microscopie à force atomique (AFM) diffère fondamentalement de la microscopie électronique à balayage (MEB) : au lieu d’utiliser des électrons, elle emploie une pointe ultrafine fixée à un levier flexible pour « sentir » et cartographier la topographie d’une surface à l’échelle atomique, un peu comme une personne aveugle lit le braille. Un AFM mesure la topographie de surface.
À l’instar d’un MEB, le microscope à force atomique (AFM) analyse la surface point par point. Cependant, au lieu d’enregistrer les électrons émis, l’AFM mesure plusieurs paramètres, notamment la hauteur de la pointe, la déflexion du levier et la force d’interaction, ce qui permet d’obtenir une véritable cartographie 3D de la surface.
Le levier peut interagir avec l’objet observable selon plusieurs modes : en mode contact, sa pointe reste en contact permanent avec la plaquette ; en mode intermittent, il oscille près de sa fréquence de résonance, et de brefs contacts avec la surface modifient l’amplitude de ses oscillations ; enfin, en mode sans contact, il utilise les forces d’attraction comme principe de mesure, mais ce mode est plus sensible au faible rapport signal/bruit.
Diffraction des rayons X (DRX)
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La diffraction des rayons X (DRX) est très différente des instruments précédents, qui examinent principalement la surface d’une plaquette, tandis que la DRX sonde la structure cristalline (ou atomique) à l’intérieur du matériau.
La diffraction des rayons X (DRX) est l’un des instruments de mesure non destructifs les plus importants pour déterminer si une plaquette de silicium présente l’orientation cristalline, l’espacement du réseau cristallin, les contraintes et la qualité cristalline requis. Elle est indispensable car, même si une plaquette semble parfaite au microscope optique, de subtiles variations du réseau cristallin, détectées par DRX, peuvent affecter significativement les performances des transistors et le rendement de fabrication.
| Méthode | # | Résolution | Vitesse | Coût | Utilisation typique | | —————— | —- | ———– | ——— | —- |—————————- - | | Optique | ~ 2D | ~0,2 µm | Très rapide | Faible | Inspection de routine des plaquettes | | MEB | ~ 2D | 1–10 nm | Lente | Élevée | Analyse détaillée des défauts | | AFM | 3D | <1 nm (verticale) | Très lente | Élevée | Mesure de la rugosité de surface | | Rayons X | 3D | Variable | Modérée | Élevée | Inspection de la structure interne |
Concepts de haut niveau en microscopie à force atomique
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La deuxième partie de cette note concerne Nearfield Instrument (https://thenextweb.com/news/nearfield-instruments-380m-series-d), une spin-off de TNO désormais bien implantée dans l’écosystème européen des semi-conducteurs. Son produit le plus récent, QUADRA (https://www.nearfieldinstruments.com/quadra/), est un système de microscopie à force atomique.
Le diagramme ci-dessous est une représentation naïve et de haut niveau du système QUADRA.
Il y a quelques points à noter :
Contrôle thermique : Le microscope à force atomique (AFM) est extrêmement sensible aux variations de température autour de la sonde. Par conséquent, moins le système de contrôle du mouvement de la pointe génère de chaleur, mieux c’est.
Scan Lining vs stitching : Les systèmes plus récents sont passés d’un ensemble traditionnel de mesures de tuiles assemblées à une mesure de plaquette complète et ininterrompue par ligne de balayage.
Réglage fin : Même si le système nécessite un réglage fin continu, l’essentiel est qu’il génère des données extrêmement fiables et reproductibles, afin que l’apprentissage devienne prévisible.
Performances (Latence) : Compte tenu de l’énorme quantité de données à traiter, les performances de transfert de données, mesurées en termes de latence, sont essentielles à un fonctionnement optimal.
Analyse et exploration des données : QUADRA génère une grande quantité de données ; le système doit donc être géré autour d’indicateurs clés de performance (KPI). Pour chaque KPI, l’utilisateur doit pouvoir explorer en détail les données mesurées.
Aperçu général de la mécatronique
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La conception mécatronique QUADRA est basée sur des sondes AFM miniaturisées (MAFM) : chaque système QUADRA possède 4 MAFM, et chaque MAFM possède son propre bras d’unité de positionnement (PU) pour pouvoir atteindre les emplacements indépendants de la plaquette.
Pour que la microscopie à force atomique (AFM) soit précise, il est essentiel de réduire le bruit mécanique. À cette fin, QUADRA utilise une architecture inversée : la plaquette est fixée sous vide sur un porte-échantillon et la pointe approche sa surface par le dessous (voir schéma ci-dessous). Ceci permet de raccourcir la boucle mécanique et de réduire le bruit dû aux résonances mécaniques en supprimant les points d’excitation.
Connexions cinématiques commutables
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Le raccourcissement est obtenu en remplaçant la liaison cinématique du MFAM par une plaque à grille, cette dernière constituant une surface de référence très stable et proche pour le microscope à force atomique (AFM). Une fois la tête de mesure de l’AFM verrouillée sur cette plaque, la position du levier est définie par rapport à cette référence locale et non plus par rapport à la structure globale de la machine. Ceci réduit les erreurs mécaniques et améliore la précision des mesures.
(source de l’image : brochure NFI 2024](/images/asic-metrology/quadra-metrology-brochure.pdf) )
Comme expliqué précédemment, les microscopes à force atomique (AFM) classiques utilisent le mode de contact intermittent. QUADRA dispose d’un nouveau mode innovant appelé mode Éclair, capable de réaliser des balayages à haute vitesse jusqu’à 1 MPix/s (mégapixels par seconde). Ce mode repose sur trois piliers : des algorithmes de contrôle avancés du scanner Z permettant d’exploiter toute la bande passante mécatronique de ce dernier pour le suivi de la topographie ; un contrôle actif des leviers à réponse rapide permettant au levier, utilisé comme capteur, de réagir rapidement aux variations de topographie (boucle de rétroaction) ; et enfin, des algorithmes intelligents de fusion de données combinant plusieurs signaux provenant du MAFM pour reconstruire l’image topographique.
Pour plus d’informations, consultez le document instructif NFI QUADRA paper
Vérification des semi-conducteurs : SoC à base de chiplets
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Avec un système QUADRA aussi puissant, il devient possible de vérifier, entre autres, le SoC à base de chiplet Asimov de Positron.
Voici quelques éléments qui devraient être vérifiés :
- Collage d’encapsulation : Les chiplets reposent sur des pas ultra-fins (microbosses de 5 à 50 µm ou liaison directe cuivre-diélectrique submicronique). La microscopie à force atomique (AFM) peut être utilisée pour mesurer des cartes topographiques de la surface à l’échelle picométrique ;
- Sondage électrique à l’échelle nanométrique : Du fait de l’agencement très compact des puces dans les architectures 2,5D ou 3D, les sondes de test traditionnelles ne peuvent pas atteindre physiquement les interconnexions internes. Microscopie à force atomique conductrice (C-AFM) : La C-AFM fait passer un courant à travers une pointe conductrice ultra-fine afin de cartographier les variations électriques localisées (*NDLR : Je ne sais pas si QUADRA prend en charge la C-AFM).
Profilage des dopants : L’un des principaux avantages d’un SoC à base de chiplets est la possibilité de combiner différentes technologies (par exemple, un chiplet logique de 3 nm associé à un chiplet d’E/S de 14 nm). Les systèmes AFM équipés d’un microscope à capacité de balayage (SCM) permettent de cartographier les concentrations de porteurs actifs et les profils de dopage dans différents matériaux semi-conducteurs. Ceci garantit que les technologies de fabrication respectent leurs caractéristiques électriques cibles après avoir subi des cycles thermiques liés à l’encapsulation.
Contraintes interfaciales : L’intégration de matériaux présentant des coefficients de dilatation thermique (CDT) différents peut entraîner des déformations, un délaminage ou des contraintes thermomécaniques. La microscopie à force atomique (AFM) mesure l’élasticité, la dureté et l’adhérence aux interfaces entre la puce, l’interposeur et le pont de silicium.
- Caractérisation thermique : La pointe AFM avec un micro-thermocouple intégré (également appelée microscopie thermique à balayage, ou SThM) peut cartographier les limites thermiques à l’échelle micrométrique et suivre les chemins de dissipation des points chauds, garantissant ainsi que la disposition complexe du SoC n’entraîne pas une surchauffe localisée destructive.
Une question plus intéressante serait de savoir comment QUADRA pourrait être utilisé pour garantir l’encapsulation avancée et l’assemblage hybride de l’architecture 3D du Quantware VIO-40K. Je me pencherai sur ce point dans une note ultérieure.
Voilà, c’était une autre note très courte, et j’espère qu’elle aidera le lecteur à mieux comprendre les défis et les solutions possibles en métrologie des plaquettes de silicium.
Ce qui est intéressant, c’est que compte tenu des progrès et de l’activité dans le domaine des ASIC d’inférence d’IA innovants, les scaleups qui traitent de la métrologie du silicium ont un avenir prometteur !
(Une salle blanche - source : NFI)
References:
DrawIO diagrams used in this memo:
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.webp
.svgoptical microscopy reflected light differential inference contrast