Acest scurt document prezintă pe scurt metodologiile utilizate în metrologia semiconductorilor, utilizate pentru inspecția plachetelor de siliciu.
Metrologia semiconductorilor implică măsurarea și analiza precisă a plachetelor utilizate pentru producerea circuitelor integrate de tip ASIC. Obiectivul este de a asigura calitatea și performanța plasării tranzistoarelor la scară atomică în timpul fabricării dispozitivelor, deoarece chiar și o abatere de un picometru în procesul de fabricație ar afecta randamentul.
Iată câteva dintre tehnicile și instrumentele utilizate pentru măsurătorile calității, împreună cu o prezentare generală a rolurilor lor în acest proces:
Microscoapele optice tradiționale (folosite în biologie) necesită ca lumina să treacă direct prin („transmisă”) specimen pentru a detecta schimbările de fază. Cu toate acestea, napolitanele de siliciu sunt complet opace și foarte reflectorizante. Deoarece lumina nu poate trece printr-o napolitană de siliciu, aceste sisteme standard nu pot fi utilizate.
În schimb, inspecția napolitanelor folosește lumina reflectată, cu câteva variante: Brightfield (Câmp Luminos), Darkfield (Câmp Întunecat) și DIC (Contrast Diferențial de Interferență). Brightfield (Câmp Luminos) folosește o lumină care strălucește direct în jos pe napolitană și se reflectă direct înapoi, în timp ce Darkfield (Câmp Întunecat) folosește o lumină care lovește napolitana la un unghi abrupt, oblic, care poate fi utilizat pentru a detecta orice defecte ridicate, cum ar fi contaminarea cu particule, zgârieturi fine și micro-defecte.
Cel mai interesant pentru napolitane este microscopul cu contrast interferențial diferențial, care utilizează lumina polarizată și o prismă Wollaston specializată pentru a diviza lumina în două căi, a le reflecta pe suprafață și a le recombina. Acesta poate fi folosit pentru a dezvălui diferențe microscopice de înălțime și texturi de suprafață, oferind napolitanei o observație asemănătoare 3D.
(sursa imaginii: Nikon Microscopy)
Microscopie electronică cu scanare (SEM)
Link to heading
Microscopia electronică cu scanare (SEM) este unul dintre cele mai comune instrumente utilizate în fabricarea semiconductorilor datorită capacității sale de a observa caracteristici mult mai mici decât microscoapele optice (rezoluție de 100 de ori mai mare). În loc de lumină, SEM folosește un fascicul focalizat de electroni pentru a scana suprafața plachetei, permițându-i să producă imagini 3D de înaltă rezoluție ale topografiei și compoziției acesteia.
Spre deosebire de microscopul optic, care poate face o „imagine imediată”, microscopul electronic electronic (SEM) trebuie să „scaneze” placa punct cu punct cu un fascicul de electroni foarte fin și apoi să reconstruiască imaginea, luminozitatea fiecărui pixel depinzând de numărul de electroni detectați din locația corespunzătoare de pe placă. Scanarea nu utilizează componente mecanice, ci mai degrabă bobine magnetice care generează câmpuri ce focalizează fasciculul de electroni într-un punct cu lățimea de doar câțiva nanometri (oarecum similar cu televizoarele CRT vechi și voluminoase).
Microscopie cu forță atomică (AFM)
Link to heading
Microscopia cu Forță Atomică (AFM) este fundamental diferită de SEM: în loc să utilizeze electroni, folosește un vârf ultrafin pe o consolă flexibilă pentru a „simți” și a cartografia topografia unei suprafețe la scară atomică, la fel cum o persoană nevăzătoare citește Braille. Un AFM măsoară topografia suprafeței.
La fel ca un SEM, AFM scanează suprafața punct cu punct. Cu toate acestea, în loc să înregistreze electronii emiși, AFM măsoară mai mulți parametri, inclusiv înălțimea vârfului, deformarea consolei și forța de interacțiune, rezultând o hartă 3D reală a suprafeței.
Consola poate interacționa cu observabilul în mai multe moduri: În modul de contact, vârful rămâne în contact continuu cu placheta. În modul de atingere, consola oscilează în apropierea frecvenței sale de rezonanță, iar contactele scurte cu suprafața îi modifică amplitudinea oscilației. Există, de asemenea, un mod fără contact care folosește forțele atractive ca principiu de măsurare, dar care este, de asemenea, mai predispus la un raport semnal-zgomot mai mic.
Difracția de raze X (XRD) este foarte diferită de instrumentele anterioare, care examinează în principal suprafața unei plachete, în timp ce XRD sondează structura cristalină (sau atomică) din interiorul materialului.
Este unul dintre cele mai importante instrumente de măsurare nedistructive pentru a determina dacă o plachetă de siliciu are orientarea corectă a cristalului, spațierea corectă a rețelei, deformarea corectă și calitatea cristalină. XRD este indispensabilă deoarece, chiar dacă o plachetă arată impecabil la un „microscop de suprafață”, modificările subtile ale rețelei cristaline detectate de XRD pot afecta semnificativ performanța tranzistorului și randamentul de fabricație.
| Metodă | # | Rezoluție | Viteză | Cost | Utilizare tipică | | —————— | —- | ———– | ———- | —- | —————————– | | Optic | ~ 2D | ~0.2 µm | Foarte rapid | Scăzut | Inspecție de rutină a napolitanelor | | SEM | ~ 2D | 1–10 nm | Lent | Ridicat | Analiză detaliată a defectelor | | AFM | 3D | <1 nm (vertical) | Foarte lent | Ridicat | Măsurarea rugozității suprafeței | | Cu raze X | 3D | Variabil | Moderat | Ridicat | Inspecția structurii interne |
Concepte de nivel înalt de microscopie cu forță atomică
Link to heading
A doua parte a acestei note este despre NearField Instrument, o companie derivată din TNO și acum parte în dezvoltare a ecosistemului european de semiconductori. Cel mai recent produs al lor, numit QUADRA, este un sistem de microscopie cu forță atomică.
Prezentare generală a sistemului de nivel înalt
Link to heading
Diagrama de mai jos este o reprezentare naivă și de nivel înalt a sistemului QUADRA.
Există câteva lucruri care merită observate:
Controlul căldurii: AFM-ul este extrem de sensibil la fluctuațiile de temperatură din jurul sondei. Așadar, cu cât sistemul de control al mișcării vârfului generează mai puțină căldură, cu atât mai bine.
Scan Lining vs stitching: Sistemele mai noi au evoluat de la un set tradițional de măsurători de plăci cusute la măsurarea completă a liniei de scanare și a waferelor neîntrerupte.
Reglare fină: Chiar dacă sistemul necesită o reglare fină continuă, esențială este ca acesta să genereze date extrem de fiabile și reproductibile, astfel încât învățarea să poată deveni previzibilă.
Performanță (Latență): Având în vedere cantitatea enormă de date care trebuie procesate, performanța transferului de date, măsurată ca latență, este esențială pentru o funcționare optimă.
Informații despre date și analiză detaliată: QUADRA produce o mulțime de date, așa că sistemul trebuie să funcționeze în jurul unor indicatori cheie de performanță (KPI). Pentru fiecare KPI, utilizatorul ar trebui să poată analiza în detaliu datele măsurate specifice.
Prezentare generală a mecatroniei la nivel înalt
Link to heading
Designul mecatronic QUADRA se bazează pe sonde AFM miniaturizate (MAFM): fiecare sistem QUADRA are 4 MAFM, iar fiecare MAFM are propriul braț de unitate de poziționare (PU) pentru a putea ajunge la locațiile independente ale plachetei.
Pentru ca AFM să fie precisă, este foarte important să se reducă zgomotul mecanic. Pentru aceasta, QUADRA folosește o arhitectură inversată, în care placheta este prinsă în vid pe un mandrin, iar vârful se apropie de suprafața sa de jos în sus (vezi diagrama de mai jos). Acest lucru permite scurtarea buclei mecanice și reducerea zgomotului provenit de la rezonanțele mecanice prin eliminarea punctelor de excitație.
Conexiuni cinematice comutabile
Link to heading
Scurtarea se realizează prin comutarea conexiunii cinematice MFAM de la PU la o placă de grilă: placa de grilă este o suprafață de referință foarte stabilă în apropiere pentru AFM. Odată ce capul de măsurare AFM se blochează pe aceasta, poziția consolei este definită în raport cu acea referință locală în loc de structura mai mare a mașinii. Acest lucru reduce erorile mecanice și îmbunătățește precizia măsurării.
(sursa imaginii: 2024 NFI broșură )
Așa cum s-a explicat anterior, instrumentele AFM tipice utilizează modul de atingere. QUADRA are un nou mod inovator numit Modul Lightning, care poate produce scanări de mare viteză de până la 1 MPix/s (megapixeli pe secundă). Acest mod se bazează pe 3 piloni: algoritmi avansați de control al scanerului Z, care permit exploatarea întregii lățimi de bandă mecatronice a scanerului Z pentru urmărirea topografiei; un control activ al consolelor cu reacție rapidă, permițând consolei, care acționează ca senzor, să reacționeze rapid la schimbările topografiei (cunoscută și sub numele de buclă de feedback); și, nu în ultimul rând, algoritmi inteligenți de fuziune a datelor, în care semnale multiple de la MAFM sunt combinate pentru a reconstrui imaginea topografiei.
Pentru mai multe informații, consultați documentul informativ NFI QUADRA (/images/asic-metrology/quadra-metrology-brochure.pdf)
Verificare semiconductori: SoC-uri bazate pe chiplet-uri
Link to heading
Cu un sistem QUADRA atât de puternic, devine posibilă verificarea, printre altele, a SoC-ului bazat pe chiplet-uri Positron Asimov.
Acestea sunt câteva dintre elementele care ar trebui verificate:
- Lipirea ambalajelor: Chipletele se bazează pe pași ultrafini (microbump-uri de 5–50 µm sau contact direct cupru-dielectric submicronic). AFM poate fi utilizat pentru a măsura hărți topografice la scară picometrică ale suprafeței;
Nanosondare electrică: Deoarece chipleturile sunt strâns legate între ele în arhitecturi 2.5D sau 3D, sondele de testare tradiționale nu pot ajunge fizic la interconexiunile interne. AFM conductiv (C-AFM): C-AFM trece un curent printr-un vârf conductiv ultra-ascuțit pentru a mapa variațiile electrice localizate (*NDLR: Nu sunt sigur dacă QUADRA acceptă C-AFM).
Profilarea dopanților: Un avantaj principal al unui SoC cu chiplet este combinarea nodurilor (de exemplu, un chiplet logic de 3 nm asociat cu un chiplet I/O tradițional de 14 nm). Sistemele AFM echipate cu microscopie capacitivă de scanare (SCM) cartografiază concentrațiile purtătorilor activi și profilurile dopanților pe diferite materiale semiconductoare. Acest lucru verifică dacă nodurile de procesare îndeplinesc caracteristicile electrice țintă după ce sunt supuse ciclurilor termice induse de împachetare.
Stres interfacial: Integrarea materialelor cu coeficienți de dilatare termică (CTE) diferiți poate duce la deformare, delaminare sau stres termomecanic. AFM măsoară elasticitatea, duritatea și aderența la interfețele dintre chiplet, interpozer și puntea de siliciu.
Caracterizare termică: Vârful AFM cu micro-termocuplu încorporat (cunoscut și sub numele de Microscopie Termică cu Scanare sau SThM) poate cartografia limitele termice la microscală și poate urmări căile de disipare a punctelor fierbinți, asigurându-se că aspectul complex al SoC nu duce la o supraîncălzire localizată distructivă.
O întrebare mai interesantă este cum ar putea fi utilizat QUADRA pentru a asigura împachetarea avansată și îmbinarea hibridă a arhitecturii 3D a Quantware VIO-40K. Voi păstra acest subiect pentru o notă ulterioară.
Voilà, acesta a fost un alt memoriu foarte scurt și sper că îl va ajuta pe cititor să înțeleagă mai bine provocările și posibilele soluții din metrologia plachetelor de siliciu.
Interesant este că, având în vedere progresul și activitatea în domeniul ASIC-urilor de inferență cu inteligență artificială inovatoare, companiile care se ocupă de metrologia siliciului au un viitor strălucit în față!
(O cameră curată - sursa: NFI)
References:
DrawIO diagrams used in this memo:
.drawio
.webp
.svgoptical microscopy reflected light differential inference contrast