Naarmate de afmetingen van microchipkenmerken de atomaire schaal naderen, het wordt enorm moeilijk om hun grootte en vorm te meten. Volgens de International Technology Roadmap for Semiconductors, binnen een paar jaar zal de typische lengte van de "poort" van een transistor – de aan-uitschakelaar – minder dan 20 nanometer zijn.

Om te voldoen aan productietoleranties voor apparaten met die afmetingen, zijn metingen nodig met een minimale onzekerheid rond 0,3 nm. En de taak staat op het punt om moeilijker te worden:tegen 2020, poortlengtes zullen naar verwachting krimpen tot ongeveer 12,5 nm, vragen om onzekerheden in het bereik van 0,2 nm – ongeveer de breedte van één siliciumatoom.

Dat legt een buitengewone druk op chipmakers om de procesbeheersing te verbeteren. In het algemeen, verwerkers meten de kritische afmetingen van een poort (of enig kenmerk) door de randen te detecteren, met behulp van een instrument dat een scanning elektronenmicroscoop (SEM) wordt genoemd. SEM's meten het aantal laagenergetische elektronen dat uit een monster wordt uitgestoten wanneer het wordt geraakt door een straal hoogenergetische elektronen; die bedragen zijn het hoogst aan de randen. Typische SEM-beeldvorming maakt gebruik van benaderingsalgoritmen die de randpositie definiëren binnen een mogelijk bereik van één of twee nanometer.

Nu hebben NIST-onderzoekers vastgesteld dat een belangrijk onderdeel van die onzekerheid is dat, op de ultrakleine schaal van de nieuwste chipfuncties, SEM-metingen worden sterk beïnvloed door variaties in de driedimensionale vorm van de poort die kunnen optreden tijdens de fabricage, inclusief de lijnbreedte en middenpositie, de hoek gevormd door de zijwanden van een verhoogd element, de kromtestraal van het bovenrandgebied, en het effect van aangrenzende constructies. Verschillen in elke parameter veranderen de paden van elektronen die uit het monster worden uitgestoten, wat het op zijn beurt moeilijk maakt om randen precies te lokaliseren en zo de werkelijke breedte en vorm te bepalen.

Momenteel, met die effecten wordt in het algemeen geen rekening gehouden bij de procesbeheersing. Fabrikanten vergelijken doorgaans de ene productierun met de andere, ervan uitgaande dat eventuele variaties tussen de twee het resultaat zijn van een combinatie van echte verschillen in de relevante dimensie en willekeurige meetfouten. Maar eigenlijk, NIST-wetenschappers zeggen:die variaties kunnen in feite het resultaat zijn van verschillen in de driedimensionale vorm (waarvan sommige niet de relevante dimensie zijn) van dezelfde kenmerken van de ene run naar de andere." De halfgeleiderindustrie heeft duidelijk iets nodig dat willekeurige driedimensionale vormen aankan , " zegt John Villarrubia van NIST, hoofdauteur van het rapport. "Het probleem is dat als het kritische dimensienummer dat je bedenkt niet alleen gevoelig is voor de breedte van je lijn, maar ook voor de vorm van je lijn, dan meet je beide op een slecht gedefinieerde manier."

Om de onzekerheid te verminderen, NIST-wetenschappers bedachten een manier om te modelleren hoe de paden van elektronen die tijdens SEM-scanning uit de poort worden uitgestoten, worden beïnvloed door vormvariaties en instrumentparameters zoals straalkanteling, helderheid, compenseren, straalgrootte, en andere factoren. Ze combineerden de fysica van elektronentransit met gedetailleerde databases van elektronentransmissie en -verstrooiing en gebruikten willekeurige getallen om de probabilistische aard van elektronenverstrooiing te simuleren. Vervolgens herhaalden ze het proces voor elk van de 27, 000 verschillende combinaties van parameters. Het resultaat is een bibliotheek van SEM-handtekeningen die overeenkomen met verschillende vormcombinaties. Gemeten SEM-handtekeningen kunnen worden vergeleken met de bibliotheek om de monsterparameters nauwkeurig af te leiden.

De NIST-wetenschappers werkten samen met Intel Corporation om de methode te testen op speciale monsters die door het bedrijf zijn vervaardigd met afmetingen van de volgende generatie van 10 nm tot 12 nm. In een recente publicatie melden de medewerkers dat toen ze de resultaten van breedte- en vormmetingen met behulp van het modelbibliotheeksysteem vergeleken met metingen van dezelfde poorten door twee totaal verschillende zeer nauwkeurige technologieën, het NIST-model kwam overeen met de onafhankelijke methoden tot beter dan 1 nm.

"Geen enkele fabrikant van geïntegreerde schakelingen maakt momenteel gebruik van dit soort op modellen gebaseerde metrologie, "Zegt Villarrubia. "Maar ze zouden de techniek kunnen overnemen als SEM-fabrikanten die mogelijkheid in hun instrumenten zouden opnemen. Dat zou de nauwkeurigheid van stroommetingen aanzienlijk kunnen vergroten.

"Echter, voldoen aan de meeteisen van nog kleinere kenmerken, met sub-nanometer onzekerheden, nauwkeurigere modellen nodig hebben, waarvan de ontwikkeling meetmogelijkheden vereist die we momenteel niet hebben in ons onderzoekslaboratorium - bijvoorbeeld het vermogen om absolute opbrengst te meten (hoeveel elektronen uit het monster voor elk elektron dat de SEM instuurt) in plaats van alleen relatieve opbrengsten (hoeveel intensiteit van een detector). Dit vereist waarschijnlijk aangepaste instrumenten, in een tijd waarin het budget om de bestaande instrumentatie te onderhouden al een probleem is."