ENGINEERINGNET.BE - Metrologie en inspectie: dat is controleren tijdens de chipproductie of alle processen aan de ontwerpspecificaties voldoen.
Metrologie kwantificeert eigenschappen zoals lijnbreedte, laagdikte, profiel en uitlijning. Inspectie zoekt defecten over grote waferoppervlakken. Beide ondersteunen procesverificatie in-line: de meetresultaten maken het mogelijk om een proces bij te sturen voordat de volgende wafers worden verwerkt.
De eisen voor chipproductie zijn ontzettend hoog. Metrologische systemen moeten dus nauwkeurig en reproduceerbaar meten, en de inspectiesystemen moeten zeer kleine defecten betrouwbaar detecteren. Tegelijk zijn hoge throughput of doorvoervolumes, beperkte kosten en een lage milieu-impact essentieel. Naarmate de chipstructuren kleiner en complexer worden, volstaat één techniek zelden nog om alle vereisten te bereiken.
1986–2005: optische technieken en de eerste elektronenbundels
In de periode van de zogeheten ‘happy scaling’ werden transistoren kleiner gemaakt zonder hun basisarchitectuur grondig hoefde te wijzigen. Optische microscopen en ellipsometers domineerden de metrologie. Ze maten onder meer lijnbreedtes, laagdiktes en overlay: de positioneringsfout tussen opeenvolgende patronen.
Toen de structuren de resolutiegrenzen van optische systemen naderden, deden elektronenbundeltechnieken hun intrede. CD-SEM (Critical Dimension Scanning Electron Microscope) werd ingezet voor kritische dimensies, review-SEM voor classificatie van defecten en inspectie-SEM voor defectdetectie op wafers. Meer automatisering en uitgebreidere bemonstering maakten het mogelijk om metingen niet alleen voor verificatie, maar ook voor actieve procesregeling te gebruiken.
Aan het einde van deze periode kwam scatterometrie op. Deze optische methode leidt afmetingen en profielinformatie af uit de manier waarop licht door periodieke structuren wordt verstrooid (of in het Engels: scattered). Omdat de techniek niet-destructief is en een hoge doorvoer mogelijk maakte, groeide ze snel uit tot een belangrijke techniek in geavanceerde chipproductie.
2005–2011: nieuwe materialen en immersielithografie
Vanaf het midden van de jaren 2000 volstond verkleining alleen niet meer om de prestaties te verhogen. Fabrikanten brachten mechanische spanning aan in siliciumkanalen en vervingen de klassieke siliciumoxide/poly-silicium-gate door materialen met een hoge diëlektrische constante en een metalen gate. Daardoor ontstond een behoefte aan technieken die niet alleen afmetingen, maar ook materiaalsamenstelling en kristalstructuur konden bepalen. Röntgendiffractie en röntgenfoto-elektronspectroscopie verhuisden op dat ogenblik van het experimentele laboratorium naar de productielijn.
Ook lithografie veranderde. Systemen met licht van 193 nanometer werden gevolgd door immersielithografie, waarbij water tussen lens en wafer de numerieke apertuur (NA) en dus de resolutie verhoogt. Die winst ging gepaard met nieuwe procesdefecten, waaronder defecten door luchtbelletjes. Breedbandplasmabronnen boden de gevoeligheid om zulke kleine defecten over grotere oppervlakken te detecteren.
2013-2018: De FinFET-periode: meten in drie dimensies
Met de invoering van de FinFET werd het geleidende kanaal een driedimensionale vin waar de gate langs drie zijden omheen ligt. Metrologie moest voortaan niet alleen breedtes, maar ook hoogtes, zijwandhoeken en complexe profielen bepalen. Scatterometrie bleek geschikt voor deze driedimensionale structuren. Daarnaast won hybride metrologie terrein: gegevens van bijvoorbeeld optische CD-metrologie en CD-SEM worden gecombineerd om meer parameters en een hogere nauwkeurigheid te verkrijgen.
Om de levensduur van 193-nanometerlithografie te verlengen, werd dubbele en meervoudige patterning ingevoerd. Een patroon wordt daarbij over meerdere maskers en processtappen verdeeld. De toegestane overlayfout werd daardoor kleiner. Dit stimuleerde de ontwikkeling van de edge placement error, een maat voor de afwijking tussen de bedoelde en werkelijk gevormde randen van structuren. Nieuwe algoritmen moesten bovendien verschillende kritische dimensies binnen hetzelfde patroon onderscheiden.
Vanaf 2019: EUV en stochastische effecten
Extreme-ultravioletlithografie (EUV) gebruikt licht met een golflengte van 13,5 nanometer en maakte de massaproductie van geavanceerde logicachips mogelijk. Door het relatief beperkte aantal fotonen ontstaan echter willekeurige, of stochastische, variaties. Die uiten zich onder meer in ruwere lijnranden en in zeldzame defecten zoals onderbroken of samengegroeide lijnen en misvormde contactgaten.
Verbeterde CD-SEM-methoden meten de ruwheid van de lijnrand terwijl ze ruis van het instrument zo goed mogelijk uitsluiten. Atoomkrachtmicroscopie vult dit aan met informatie over het bovenoppervlak. Voor defectinspectie bestaat een fundamentele afweging: optische technieken scannen snel grote oppervlakken, maar missen soms de kleinste defecten; elektronenbundels zijn gevoeliger, maar trager. Een combinatie van beide levert het beste van beide werelden.
De toekomst: xy-scaling en z-scaling
De toekomstige ontwikkeling van chips volgt twee richtingen. Bij xy-scaling worden structuren in het vlak van de wafer alweer kleiner en veel gevarieerder. High-NA-EUV moet daarvoor een hogere resolutie leveren en het aantal processtappen beperken. Metrologie moet gekromde patronen kunnen karakteriseren, uiterst kleine defecten over grote oppervlakken vinden en gevoelig blijven voor verticale profielvariaties.
Bij z-scaling groeit de complexiteit dan weer in de hoogte. Gate-all-aroundtransistoren, CFET’s, 3D-geheugen, backside power delivery en hybride bonding zijn allemaal technieken die leiden tot het stapelen van structuren en materialen. Meetinstrumenten moeten daardoor hoge aspectverhoudingen, meerdere lagen, verborgen interfaces, waferranden en achterzijdes kunnen onderzoeken. Vooral het ‘doorkijken’ door optisch ondoorzichtige materialen blijft hierbij een uitdaging.
Geen enkele methode biedt tegelijk de hoogste resolutie, gevoeligheid, diepte-informatie en doorvoersnelheid. De toekomst ligt daarom in slim samengestelde meetcombinaties.
Meer waarde uit de data halen
Hardware-innovatie wordt steeds sterker gestuurd via algoritmes. AI kan ruis in meetbeelden verminderen, snel patronen herkennen en gegevens van verschillende instrumenten combineren tot een eenduidig signaal. Daarbij blijft echte controle cruciaal: een nauwkeurig ogende voorspelling is pas bruikbaar wanneer duidelijk is welke procesvariabele ze weerspiegelt en binnen welk toepassingsgebied het model geldig is.
Virtuele metrologie gaat nog een stap verder. Ze combineert fysieke metingen met gegevens van sensoren op productietools, zoals temperatuur, vermogen en gasdebiet. Een model voorspelt daarmee meetresultaten voor wafers die niet afzonderlijk worden gemeten. Dit kan de meetbelasting fors verlagen en snellere bijregeling van het proces mogelijk maken, op voorwaarde dat modellen regelmatig worden gekalibreerd en afwijkingen tijdig worden gedetecteerd.
Duurzaamheid als ontwerpcriterium
Metrologie vertegenwoordigt slechts een deel van de milieu-impact van chipproductie, maar beïnvloedt het geheel. Meten op de juiste processtappen voorkomt dat defecte wafers onnodig verdere energie-, water- en materiaalintensieve bewerkingen moeten ondergaan. Duurzamere metrologie vraagt daarom niet alleen zuinigere instrumenten, maar ook een doordachte meetstrategie: voldoende gegevens verzamelen om de opbrengst en betrouwbaarheid te bewaken, zonder overbodige metingen.
Metrologie: de verborgen motor van chipinnovatie
Veertig jaar chipmetrologie toont een duidelijke evolutie: van afzonderlijke optische metingen naar een brede, geïntegreerde gereedschapskist. Optische technieken zijn zeker niet verdwenen, ze werden verfijnd en aangevuld met elektronenbundels, röntgenmethoden, atoomkrachtmicroscopie en data-analyse. Die diversiteit weerspiegelt de ontwikkeling van vlakke, relatief eenvoudige structuren naar complexe driedimensionale chip-systemen.
De volgende generatie metrologie moet nog kleinere kenmerken en verborgen structuren betrouwbaar meten, zonder snelheid, kosten of duurzaamheid uit het oog te verliezen. De grootste vooruitgang zal waarschijnlijk ontstaan door meetprincipes, sensordata en fysisch onderbouwde AI-modellen te combineren. Zo blijft metrologie niet alleen een controle-instrument, maar ook een essentiële motor voor innovatie in geavanceerde logische chips, geheugenchips, lithografie en chipintegratie.
Bij imec blijft men het metrologie-ecosysteem uitbreiden om geavanceerde technologieplatformen voor logische chips, geheugen, lithografie en verpakking (packaging) te helpen monitoren en karakteriseren. Dit metrologie-ecosysteem zal de komende jaren met name ondersteuning bieden aan de door de EU gefinancierde NanoIC-proefproductielijn die bij imec is ondergebracht, en speelt daarmee een cruciale rol bij het verwezenlijken van de ambities van Europa om hier de meest geavanceerde chips (sub 2 nm-node) mogelijk te maken.
Bij de foto bovenaan: metrologie in actie. Al zou dat beeld in de toekomst, dankzij fysica-gebaseerde AI-modellering weleens snel kunnen veranderen.
