Questo breve promemoria riassume le metodologie utilizzate nella metrologia dei semiconduttori, impiegate per l’ispezione dei wafer di silicio.

La metrologia dei semiconduttori si occupa della misurazione e dell’analisi precise dei wafer utilizzati per la produzione di ASIC. L’obiettivo è garantire la qualità e le prestazioni del posizionamento dei transistor a livello atomico durante la fabbricazione dei dispositivi, poiché anche una deviazione di pochi picometri nel processo produttivo influirebbe sulla resa.

Tecnologie di metrologia Link to heading

Ecco alcune delle tecniche e degli strumenti utilizzati per le misurazioni di qualità, insieme a una panoramica del loro ruolo nel processo:

Microscopia ottica (~2D) Link to heading

I microscopi ottici tradizionali (utilizzati in biologia) richiedono che la luce attraversi direttamente (“trasmetta”) il campione per rilevare gli sfasamenti. Tuttavia, i wafer di silicio sono completamente opachi e altamente riflettenti. Poiché la luce non può attraversare un wafer di silicio, questi sistemi standard non possono essere utilizzati.

Invece, l’ispezione dei wafer utilizza la luce riflessa, con alcune varianti: campo chiaro, campo scuro e DIC (contrasto di interferenza differenziale). Il campo chiaro utilizza una luce che illumina il wafer perpendicolarmente e si riflette direttamente verso l’alto, mentre il campo scuro utilizza una luce che colpisce il wafer con un angolo obliquo e ripido, che può essere utilizzata per rilevare eventuali difetti in rilievo come contaminazione da particelle, graffi sottili e microdifetti.

Il microscopio più interessante per i wafer è il microscopio a contrasto di interferenza differenziale (DIC), che utilizza luce polarizzata e un prisma di Wollaston specializzato per dividere la luce in due percorsi, farli rimbalzare sulla superficie e ricombinarli. Può essere utilizzato per rivelare differenze di altezza microscopiche e texture superficiali, fornendo al wafer un’osservazione simile a quella tridimensionale. (image source: Nikon Microscopy)

Microscopia elettronica a scansione (SEM) Link to heading

La microscopia elettronica a scansione (SEM) è uno degli strumenti più comuni utilizzati nella produzione di semiconduttori grazie alla sua capacità di osservare dettagli molto più piccoli rispetto ai microscopi ottici (risoluzione 100 volte superiore). Invece della luce, la SEM utilizza un fascio focalizzato di elettroni per scansionare la superficie del wafer, consentendo di produrre immagini ad alta risoluzione, simili a quelle tridimensionali, della sua topografia e composizione.

A differenza del microscopio ottico, che può scattare un’immagine istantanea, il SEM deve “scansionare” il wafer punto per punto con un fascio di elettroni molto sottile e quindi ricostruire l’immagine, con la luminosità di ciascun pixel che dipende dal numero di elettroni rilevati nella posizione corrispondente sul wafer. La scansione non utilizza parti meccaniche, bensì bobine magnetiche che generano campi che focalizzano il fascio di elettroni in un punto di pochi nanometri di larghezza (in modo simile ai vecchi e ingombranti televisori CRT).

Microscopia a forza atomica (AFM) Link to heading

La microscopia a forza atomica (AFM) è fondamentalmente diversa dalla microscopia elettronica a scansione (SEM): anziché utilizzare elettroni, si serve di una punta ultrafine su un cantilever flessibile per “sentire” e mappare la topografia di una superficie a livello atomico, un po’ come una persona non vedente legge il Braille. Un AFM misura la topografia superficiale.

Analogamente a un microscopio elettronico a scansione (SEM), il microscopio a forza atomica (AFM) scansiona la superficie punto per punto. Tuttavia, anziché registrare gli elettroni emessi, l’AFM misura molteplici parametri, tra cui l’altezza della punta, la deflessione del cantilever e la forza di interazione, ottenendo così una vera e propria mappa tridimensionale della superficie.

La leva a sbalzo può interagire con l’oggetto da osservare in diverse modalità: in modalità contatto, la punta rimane in contatto continuo con il wafer. In modalità tapping, la leva a sbalzo oscilla vicino alla sua frequenza di risonanza e brevi contatti con la superficie ne modificano l’ampiezza di oscillazione. Esiste anche una modalità senza contatto che utilizza forze attrattive come principio di misurazione, ma che è anche più soggetta a un rapporto segnale/rumore inferiore.

Diffrazione a raggi X (XRD) Link to heading

La diffrazione a raggi X (XRD) è molto diversa dagli strumenti precedenti, che esaminavano principalmente la superficie di un wafer, mentre la XRD analizza la struttura cristallina (o atomica) all’interno del materiale.

È uno degli strumenti di misurazione non distruttiva più importanti per determinare se un wafer di silicio presenta il corretto orientamento cristallino, la spaziatura del reticolo, la deformazione e la qualità cristallina. La diffrazione di raggi X (XRD) è indispensabile perché, anche se un wafer appare impeccabile al microscopio ottico, sottili variazioni nel reticolo cristallino rilevate tramite XRD possono influenzare significativamente le prestazioni dei transistor e la resa produttiva.

Riepilogo Link to heading

Metodo	Numero	Risoluzione	Velocità	Costo	Utilizzo tipico
Ottico	~ 2D	~0,2 µm	Molto veloce	Basso	Ispezione di routine dei wafer
SEM	~ 2D	1–10 nm	Lento	Alto	Analisi dettagliata dei difetti
AFM	3D	<1 nm (verticale)	Molto lento	Elevato	Misurazione della rugosità superficiale
Raggi X	3D	Variabile	Moderato	Alto	Ispezione della struttura interna

Concetti di alto livello sulla microscopia a forza atomica Link to heading

La seconda parte di questo promemoria riguarda NearField Instrument, una spin-off di TNO e ora parte integrante dell’ecosistema europeo dei semiconduttori. Il loro prodotto più recente, chiamato QUADRA, è un sistema di microscopia a forza atomica.

Panoramica generale del sistema Link to heading

Il diagramma sottostante è una rappresentazione semplificata e di alto livello del sistema QUADRA.

Strumento di campo vicino QUADRA

Ci sono alcune cose degne di nota:

Controllo del calore: L’AFM è estremamente sensibile alle fluttuazioni di temperatura intorno alla sonda. Pertanto, minore è il calore generato dal sistema di controllo del movimento della punta, meglio è.
Scansione lineare vs. cucitura: I sistemi più recenti si sono evoluti da una serie tradizionale di misurazioni di piastrelle cucite a una scansione lineare completa e misurazione continua del wafer.
Messa a punto: Anche se il sistema necessita di una messa a punto continua, la chiave è che generi dati estremamente affidabili e riproducibili, in modo che l’apprendimento possa diventare prevedibile.
Prestazioni (Latenza): Data l’enorme quantità di dati da elaborare, le prestazioni del trasferimento dati, misurate in termini di latenza, sono essenziali per un funzionamento ottimale.

Analisi approfondita dei dati e drill-down: QUADRA produce una grande quantità di dati, quindi il sistema deve essere gestito in base ai KPI. Per ogni KPI, l’utente dovrebbe essere in grado di analizzare in dettaglio i dati misurati specifici.

Panoramica generale della meccatronica Link to heading

Il design meccatronico di QUADRA si basa su sonde AFM miniaturizzate (MAFM): ogni sistema QUADRA dispone di 4 MAFM, e ciascuna MAFM ha il proprio braccio unità di posizionamento (PU) per poter raggiungere posizioni indipendenti sul wafer.

Per garantire la precisione dell’AFM, è fondamentale ridurre il rumore meccanico. A tal fine, QUADRA utilizza un’architettura invertita, in cui il wafer è bloccato sottovuoto su un mandrino e la punta si avvicina alla sua superficie dal basso (vedere lo schema sottostante). Ciò consente di accorciare il ciclo meccanico e di ridurre il rumore dovuto alle risonanze meccaniche eliminando i punti di eccitazione.

Connessioni cinematiche commutabili Link to heading

L’accorciamento si ottiene spostando la connessione cinematica del MFAM dal PU a una piastra a griglia: quest’ultima rappresenta una superficie di riferimento locale molto stabile per l’AFM. Una volta che la testa di misura dell’AFM si aggancia ad essa, la posizione del cantilever viene definita rispetto a tale riferimento locale anziché rispetto alla struttura più ampia della macchina. Ciò riduce gli errori meccanici e migliora la precisione della misurazione.

(fonte immagine: opuscolo NFI 2024 opuscolo )

Modalità di illuminazione Link to heading

Come spiegato in precedenza, i tipici strumenti AFM utilizzano la modalità tapping. QUADRA dispone di una nuova modalità innovativa chiamata Lightning mode, in grado di produrre scansioni ad alta velocità fino a 1 MPix/s (mega pixel al secondo). Questa modalità si basa su 3 pilastri: algoritmi avanzati di controllo dello scanner Z che consentono di sfruttare l’intera larghezza di banda meccatronica dello scanner Z per il tracciamento della topografia; un controllo attivo dei cantilever a reazione rapida che permette al cantilever, fungendo da sensore, di reagire rapidamente ai cambiamenti topografici (ovvero, un ciclo di feedback); e, ultimo ma non meno importante, un algoritmo intelligente di fusione dei dati in cui più segnali provenienti dal MAFM vengono combinati per ricostruire l’immagine topografica.

Per ulteriori informazioni, consultare l’approfondito documento dell’NFI QUADRA.

Verifica dei semiconduttori: SoC basati su chiplet Link to heading

Posizione Asimov ASIC Con un sistema QUADRA così potente, diventa possibile verificare, tra gli altri, il SoC basato su chiplet Asimov di Positron.

Questi sono alcuni degli elementi che dovrebbero essere verificati:

Incollaggio del packaging: i chiplet si basano su passi ultrafini (microbump da 5–50 µm o collegamento diretto rame-dielettrico sub-micronico). L’AFM può essere utilizzato per misurare mappe topografiche della superficie su scala picometrica;

Architettura del sistema chiplet modulare

Nanosondaggio elettrico: Poiché i chiplet sono impacchettati strettamente insieme in architetture 2.5D o 3D, le sonde di test tradizionali non possono raggiungere fisicamente le interconnessioni interne. AFM conduttivo (C-AFM): Il C-AFM fa passare una corrente attraverso una punta conduttiva ultra-affilata per mappare le variazioni elettriche localizzate (*NDLR: non sono sicuro che QUADRA supporti il C-AFM).
Profilazione dei droganti: Un vantaggio fondamentale di un SoC a chiplet è la possibilità di combinare nodi (ad esempio, un chiplet logico a 3 nm abbinato a un chiplet I/O legacy a 14 nm). I sistemi AFM dotati di microscopia a scansione capacitiva (SCM) mappano le concentrazioni di portatori attivi e i profili di drogaggio su diversi materiali semiconduttori. Ciò verifica che i nodi di elaborazione soddisfino le caratteristiche elettriche target dopo aver subito cicli termici indotti dal packaging.
Stress interfacciale: L’integrazione di materiali con diversi coefficienti di dilatazione termica (CTE) può causare deformazioni, delaminazione o stress termomeccanico. L’AFM misura l’elasticità, la durezza e l’adesione alle interfacce del chiplet, dell’interposer e del ponte di silicio.
Caratterizzazione termica: la punta AFM con una micro-termocoppia integrata (nota anche come microscopia termica a scansione, o SThM) può mappare i confini termici su scala micrometrica e tracciare i percorsi di dissipazione dei punti caldi, garantendo che il layout complesso del SoC non porti a un surriscaldamento localizzato distruttivo.

Una questione più interessante è come QUADRA potrebbe essere utilizzato per garantire il packaging avanzato e il bonding ibrido dell’architettura 3D di Quantware VIO-40K. Ne parlerò in un promemoria successivo.

Architettura 3D Quantware VIO3D 40K

Conclusion Link to heading

Ecco, questo era un altro promemoria brevissimo, e spero che aiuti il lettore a comprendere meglio le sfide e le possibili soluzioni nella metrologia dei wafer di silicio.

La cosa interessante è che, visti i progressi e l’attività nell’ambito degli ASIC innovativi per l’inferenza AI, le scaleup che si occupano di metrologia del silicio hanno un futuro brillante davanti a sé!

(Una camera bianca - fonte: NFI)