Hjælper mikrochipindustrien med at gå (meget lavt) med strømmen

En ny undersøgelse foretaget af forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har afsløret en fejlkilde i en industristandard kalibreringsmetode, der kan få mikrochipproducenter til at miste en million dollars eller mere i en enkelt fremstillingskørsel. Problemet forventes at blive gradvist mere akut, efterhånden som chipproducenter pakker stadig flere funktioner ind på stadig mindre plads.

Fejlen opstår ved måling af meget små strømme af eksotiske gasblandinger. Små gasstrømme forekommer under kemisk dampaflejring (CVD), en proces, der finder sted inde i et vakuumkammer, når ultra-sjældne gasser strømmer hen over en siliciumwafer for at afsætte en fast film. CVD er meget brugt til at fremstille mange slags højtydende mikrochips, der indeholder så mange som adskillige milliarder transistorer. CVD opbygger komplekse 3-D strukturer ved at afsætte successive lag af atomer eller molekyler; nogle lag er kun nogle få atomer tykke. En komplementær proces kaldet plasmaætsning bruger også små strømme af eksotiske gasser til at producere små træk på overfladen af ​​halvledende materialer ved at fjerne små mængder silicium.

Den nøjagtige mængde gas, der sprøjtes ind i kammeret, er kritisk vigtig for disse processer og reguleres af en enhed kaldet en massestrømsregulator (MFC). MFC'er skal være meget nøjagtige for at sikre, at de aflejrede lag har de nødvendige dimensioner. Den potentielle påvirkning er stor, fordi spåner med forkerte lagdybder skal kasseres.

"Flow unøjagtigheder forårsager uensartethed i kritiske funktioner i wafere, direkte forårsager udbyttereduktion, " sagde Mohamed Saleem, Chief Technology Officer hos Brooks Instrument, et amerikansk firma, der fremstiller MFC'er blandt andet præcisionsmåleudstyr. "Tag ind i omkostningerne ved at drive renrum, tabet på et parti wafers, der er skrottet på grund af strømningsuregelmæssigheder, kan løbe omkring 500 USD, 000 til $1, 000, 000. Læg dertil omkostningerne nedetid for procesværktøjet, der kræves til fejlfinding, og det bliver uoverkommeligt dyrt."

Moderne nanofabrikationsfaciliteter koster flere milliarder dollars hver, og det er generelt ikke omkostningseffektivt for en virksomhed konstant at finjustere CVD og plasmaætsning. I stedet, faciliteterne er afhængige af nøjagtige gasstrømme styret af MFC'er. Typisk, MFC'er kalibreres ved hjælp af "rate of rise" (RoR) metoden, som foretager en række tryk- og temperaturmålinger over tid, når gas fylder en opsamlingsbeholder gennem MFC'en.

"Bekymringer om nøjagtigheden af ​​den teknik kom til vores opmærksomhed for nylig, da en stor producent af chipfremstillingsudstyr fandt ud af, at de fik inkonsistente resultater for flowhastighed fra deres instrumenter, når de blev kalibreret på forskellige RoR-systemer, " sagde John Wright fra NIST's Fluid Metrology Group, hvis medlemmer udførte fejlanalysen.

Wright var særligt interesseret, fordi han i mange år havde set, at RoR-aflæsninger ikke stemte overens med resultater opnået med NISTs "guldstandard" tryk/volumen/temperatur/tid-system. Han og kolleger udviklede en matematisk model af RoR-processen og udførte detaljerede eksperimenter. Konklusionen:konventionelle RoR-flowmålinger kan have betydelige fejl på grund af fejlagtige temperaturværdier. "Gassen opvarmes ved strømningsarbejde, da den komprimeres i opsamlingstanken, men det er ikke let at forklare:det er svært at måle temperaturen på næsten stationær gas."

Wright og kolleger fandt ud af, at uden korrektioner for disse temperaturfejl, RoR-aflæsninger kan falde med så meget som 1 procent, og måske betydeligt mere. Det virker måske ikke af meget, men lav usikkerhed er afgørende for at opnå ensartethed og kvalitet i chipfremstillingsprocessen. Og udfordringen vokser. Nuværende low-end flowhastigheder i halvlederindustrien er i intervallet en standard kubikcentimeter (1 sccm) - ca. volumenet af en sukkerterning - pr. minut, men de vil snart krympe med en faktor på 10 til 0,1 sccm.

Præcis flowmåling er en særlig alvorlig bekymring for fremstillingsprocesser, der bruger ætsning af aflejrede lag til at danne rendelignende træk. I det tilfælde, MFC'en er ofte ikke åben i mere end et par sekunder.

"En lille mængde variation i flowhastigheden har en dybtgående effekt på ætsningshastigheden og kritiske dimensioner af strukturerne" i meget store integrerede kredsløb, sagde Iqbal Shareef fra Lam Research, en virksomhed med hovedkontor i Californien, der leverer præcisionsfremstillingsudstyr til mikrochipproducenter.

"Så, vi er ekstremt bekymrede over, at strømningshastigheder er nøjagtige og konsistente fra kammer til kammer og wafer til wafer, Shareef sagde. "Vores industri er allerede på vej mod meget små flowhastigheder."

"Vi taler om wafer-ensartethed i dag på nanometer- og endda subnanometerskalaen, " sagde Shareef.

Det er meget lille. Men det er, hvad kompleksiteten af ​​tredimensionel chipfremstilling i stigende grad kræver. For ikke så længe siden, "et 3-D integreret kredsløb, der plejede at have fire lag af metaller, " sagde William White, Direktør for avanceret teknologi hos HORIBA Instruments Incorporated, et globalt firma, der leverer analyse- og målesystemer. "Nu går virksomheder regelmæssigt til 32 lag og nogle gange til 64. Bare i år hørte jeg om 128." Og nogle af de chips har så mange som 3, 000 procestrin.

"Hver 300 mm wafer kan koste op til $400, og indeholder 281 matricer til en matricestørrelse på 250 til 300 mm ² , " sagde Brooks' Saleem. "Hver die i nutidens high-end integrerede kredsløb består af omkring tre til fire milliarder transistorer. Hver wafer gennemgår 1 eller 2 måneders behandling, der inkluderer flere kørsler af separate individuelle processer, "inklusive kemisk dampaflejring, ætse, litografi og ionimplantation. Alle disse processer bruger dyre kemikalier og gasser.

Mange virksomheder genovervejer allerede deres praksis i lyset af NIST-publikationen, som giver nødvendige teoretiske forklaringer på kilden til RoR-flowmålingsfejl. Teorien vejleder designere af RoR-opsamlingstanke og demonstrerer letanvendelige korrektionsmetoder. RoR-teori viser, at der vil opstå forskellige temperaturfejl for de forskellige gasser, der anvendes i CVD-processer. NIST-publikationen giver også en modelusikkerhedsanalyse, som andre kan bruge til at vide, hvilket niveau af overensstemmelse man kan forvente mellem MFC'er kalibreret på forskellige RoR-systemer.

"NIST fungerer som en pålidelig reference for viden og måling, hvor industrien kan vurdere overensstemmelse mellem deres systemer, " sagde Wright. "Da producenternes målinger skal presses til stadigt lavere flow, det samme vil NIST-kalibreringsstandarder."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.