Een nieuwe studie door wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) heeft een bron van fouten blootgelegd in een industriestandaard kalibratiemethode die ertoe zou kunnen leiden dat microchipfabrikanten een miljoen dollar of meer verliezen in een enkele fabricagerun. Het probleem zal naar verwachting steeds acuter worden naarmate chipmakers steeds meer functies in een steeds kleinere ruimte stoppen.

De fout treedt op bij het meten van zeer kleine stromen exotische gasmengsels. Bij chemische dampafzetting (CVD) ontstaan ​​kleine gasstromen, een proces dat plaatsvindt in een vacuümkamer wanneer ultrageraffineerde gassen over een siliciumwafel stromen om een ​​vaste film af te zetten. CVD wordt veel gebruikt om vele soorten hoogwaardige microchips te fabriceren die maar liefst enkele miljarden transistors bevatten. CVD bouwt complexe 3D-structuren op door opeenvolgende lagen van atomen of moleculen af ​​te zetten; sommige lagen zijn slechts enkele atomen dik. Een complementair proces dat plasma-etsen wordt genoemd, maakt ook gebruik van kleine stromen exotische gassen om minuscule kenmerken op het oppervlak van halfgeleidende materialen te produceren door kleine hoeveelheden silicium te verwijderen.

De exacte hoeveelheid gas die in de kamer wordt geïnjecteerd, is van cruciaal belang voor deze processen en wordt geregeld door een apparaat dat een massastroomregelaar (MFC) wordt genoemd. MFC's moeten zeer nauwkeurig zijn om ervoor te zorgen dat de afgezette lagen de vereiste afmetingen hebben. De potentiële impact is groot omdat chips met een verkeerde laagdiepte moeten worden weggegooid.

"Flow-onnauwkeurigheden veroorzaken niet-uniformiteiten in kritieke functies in wafers, direct leidend tot opbrengstvermindering, " zei Mohammed Saleem, Chief Technology Officer bij Brooks Instrument, een Amerikaans bedrijf dat naast andere precisiemeetapparatuur MFC's produceert. "Rekening houdend met de kosten van het runnen van cleanrooms, het verlies op een partij wafels die wordt gesloopt als gevolg van stroomonregelmatigheden kan oplopen tot ongeveer $ 500, 000 tot $ 1, 000, 000. Tel daarbij de kosten op van de downtime van de procestool die nodig is voor het oplossen van problemen, en het wordt onbetaalbaar."

Moderne nanofabricagefaciliteiten kosten elk enkele miljarden dollars, en het is over het algemeen niet kosteneffectief voor een bedrijf om CVD- en plasma-etsen voortdurend te verfijnen. In plaats daarvan, de faciliteiten zijn afhankelijk van nauwkeurige gasstromen die worden gecontroleerd door MFC's. Typisch, MFC's worden gekalibreerd met behulp van de "rate of rise" (RoR)-methode, die in de loop van de tijd een reeks druk- en temperatuurmetingen uitvoert terwijl gas een verzameltank vult via de MFC.

"Bezorgdheid over de nauwkeurigheid van die techniek kwam onlangs onder onze aandacht toen een grote fabrikant van chipfabricageapparatuur ontdekte dat ze inconsistente resultaten kregen voor de stroomsnelheid van hun instrumenten toen ze werden gekalibreerd op verschillende RoR-systemen, " zei John Wright van NIST's Fluid Metrology Group, wiens leden de foutenanalyse hebben uitgevoerd.

Wright was vooral geïnteresseerd omdat hij jarenlang had gezien dat RoR-metingen niet overeenkwamen met de resultaten die werden verkregen met NIST's "gouden standaard" druk/volume/temperatuur/tijd-systeem. Hij en collega's ontwikkelden een wiskundig model van het RoR-proces en voerden gedetailleerde experimenten uit. De conclusie:conventionele RoR-stroommetingen kunnen aanzienlijke fouten hebben vanwege foutieve temperatuurwaarden. "Het gas wordt verwarmd door stromingswerk terwijl het wordt gecomprimeerd in de verzameltank, maar dat is niet gemakkelijk te verklaren:het is moeilijk om de temperatuur van bijna stationair gas te meten."

Wright en collega's ontdekten dat zonder correcties voor deze temperatuurfouten, RoR-metingen kunnen tot 1 procent afwijken, en misschien nog aanzienlijk meer. Dat lijkt misschien niet veel, maar een lage onzekerheid is van cruciaal belang voor het bereiken van uniformiteit en kwaliteit in het chipproductieproces. En de uitdaging wordt groter. De huidige lage stroomsnelheden in de halfgeleiderindustrie liggen in het bereik van één standaard kubieke centimeter (1 sccm) - ongeveer het volume van een suikerklontje - per minuut, maar ze krimpen al snel met een factor 10 tot 0,1 sccm.

Nauwkeurige stromingsmeting is een bijzonder ernstige zorg voor fabricageprocessen die het etsen van afgezette lagen gebruiken om greppelachtige kenmerken te vormen. In dat geval, de MFC staat vaak niet langer dan een paar seconden open.

"Een kleine hoeveelheid variatie in de stroomsnelheid heeft een diepgaand effect op de etssnelheid en kritische afmetingen van de structuren" in zeer grootschalige geïntegreerde schakelingen, zei Iqbal Shareef van Lam Research, een bedrijf met hoofdkantoor in Californië dat precisiefabricageapparatuur levert aan microchipfabrikanten.

"Dus, we maken ons grote zorgen over het feit dat de stroomsnelheden nauwkeurig en consistent zijn van kamer tot kamer en van wafel tot wafel, " zei Shareef. "Onze industrie is al op weg naar zeer kleine stroomsnelheden."

"We hebben het vandaag over wafeluniformiteit op nanometer- en zelfs subnanometerschaal, ' zei Shareef.

Dat is heel klein. Maar het is wat de complexiteit van driedimensionale chipproductie in toenemende mate vereist. Niet zo lang geleden, "een 3D-geïntegreerd circuit had vroeger vier lagen metalen, " zei Willem Wit, Director of Advanced Technology bij HORIBA Instruments Incorporated, een wereldwijd bedrijf dat analytische en meetsystemen levert. "Nu gaan bedrijven regelmatig naar 32 lagen en soms naar 64. Dit jaar hoorde ik er nog ongeveer 128." En sommige van die chips hebben er wel 3, 000 processtappen.

"Elke wafer van 300 mm kan tot $ 400 kosten, en bevat 281 matrijzen voor een matrijzenmaat van 250 tot 300 mm ² , " Brooks' Saleem zei. "Elke dobbelsteen in de geavanceerde geïntegreerde schakelingen van vandaag bestaat uit ongeveer drie tot vier miljard transistors. Elke wafer doorloopt 1 of 2 maanden verwerking die meerdere runs van afzonderlijke individuele processen omvat, " inclusief chemische dampafzetting, etsen, lithografie en ionenimplantatie. Al die processen gebruiken dure chemicaliën en gassen.

Veel bedrijven onderzoeken hun praktijken al opnieuw in het licht van de NIST-publicatie, die de benodigde theoretische verklaringen biedt voor de bron van meetfouten van de RoR-stroom. De theorie begeleidt ontwerpers van RoR-opvangtanks en demonstreert eenvoudig toe te passen correctiemethoden. De RoR-theorie laat zien dat er verschillende temperatuurfouten zullen optreden voor de verschillende gassen die worden gebruikt in CVD-processen. De NIST-publicatie biedt ook een modelonzekerheidsanalyse die anderen kunnen gebruiken om te weten welk niveau van overeenstemming ze kunnen verwachten tussen MFC's die zijn gekalibreerd op verschillende RoR-systemen.

"NIST dient als een betrouwbare referentie voor kennis en metingen waar de industrie overeenstemming tussen hun systemen kan beoordelen, Wright zei. "Omdat de meetbehoeften van fabrikanten naar steeds lagere stromen gaan, dat geldt ook voor NIST-kalibratienormen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.