用AFMs进行埃级测量

原子力显微镜(AFM)市场的竞争正在升温，几家供应商正在推出新的AFM系统，以解决包装、半导体和其他领域的各种计量挑战。

AFM是一个小而发展的领域，它涉及一个独立的系统，可以提供低至埃级的结构表面测量。(1埃= 0.1nm。)afm是多功能的，但它们相对较慢，有时被降级到特定的应用程序。最新的afm速度更快，功能更广，这可能会扩展该技术的应用范围，并可能改变计量领域。

afm是在20世纪80年代开发的，是在光学领域中使用的几种不同系统之一计量这是一门测量结构的艺术。afm用于实验室和fab，在生命科学，半导体和其他领域被发现。基本上，AFM系统包含一个带有微小硬尖或针的悬臂。在操作中，尖端扫描结构表面，提供三维测量，分辨率从100 μ m到0.1nm。

图1:AFM计量系统。来源:力量

afm是互补的其他计量工具类型，并能处理部分晶圆厂的测量要求。事实上，没有一种计量工具可以满足当今复杂III-V、逻辑和存储设备的所有苛刻的测量要求。例如，在逻辑晶圆厂，芯片制造商依靠多种计量工具类型来测量设备中的复杂材料和结构。AFMs用于该过程的特定部分。一般来说，其他计量工具类型，即基于光学的系统，在晶圆厂提供了更大比例的CD测量，只是因为它们比AFMs更成熟和更快。

afm有一些吞吐量和其他限制。要使AFM尖端小到足以处理窄沟槽模式测量是很困难的。作为回应，AFM供应商正在这些领域取得进展。即使到那时，它们也不会取代其他计量工具。尽管如此，afm已经发展并成为计量工具箱中有价值的工具。

“在早期，这并不是主流。AFMs需要大量的知识和训练有素的操作人员。力量．“afm已经转变为更主流的东西。我这么说是因为我们所看到的客户类型。在此之前，它是早期采用者。今天，它不是曲线的中间，但几乎是每个人。他们看到了使用它的明显优势。几乎每家工厂都有我们的身影。它只会越来越大。”

随着这种转变，竞争也在加剧:

• Bruker、Park Systems和其他公司正在运送新型afm。
• 近场仪器(Nearfield Instruments)和无限仪器(Infinitesima)这两家新公司正在开发这种技术的快速版本。
• 新的AFM应用正在出现，例如EUV抗蚀剂表征，栅极全能晶体管，以及用于封装的混合键合等等。

AFM景观
分析师称，据最新统计，AFM市场的规模约为2亿美元，有十多家供应商在竞争。Bruker, Oxford和Park Systems是较大的AFM供应商。大多数都是拥有实验室工具的小玩家。还有两个新来者——Nearfield和Infinitesima——也加入了这个领域。

供应商出售具有不同功能的研发和/或生产工具。在一个例子中，Park Systems最近推出了一种新的AFM，可以自动执行所有的设置和扫描过程。此外，Bruker和其他人正在为他们的afm添加新的功能。

afm可以在实验室中找到，也可以在晶圆厂的离线和在线生产流程中找到。AFM由控制计算机、探测器、激光器和带有微型探针或尖端的悬臂组成。基于碳和硅材料，这种硬尖端在纳米尺度上有不同的形状和大小。

在操作中，微小的尖端沿一行扫描样品的表面，然后移动到下一行进行光栅扫描。它使用尖端样品力对表面进行测量。测量悬臂挠度，生成三维表面地形图。

“在天平的一端，你能够分辨原子和分子晶格，”布鲁克的施密茨说。“如果你去另一端，你可以达到大约60μm到100μm的方形。”

AFMs应用于许多领域。“一般来说，AFM是一种无损检测技术。有了很多光学工具，就有了很多建模。而AFM可以直接测量，”Park Systems总裁Stefan Kaemmer说。“如果你看AFM的纯应用，基本上有三种。这是表面粗糙度的测量。第二个是台阶高度。第三个是角度。你还可以用AFM做其他事情。在故障分析方面，您可以将其与电气测量相结合。 Electrical fault isolation is an example. You could do scanning capacitance, and look at doping profiles.”

AFMs还用于晶圆缺陷分析和检查。基本上，需要对缺陷进行评审，使工艺工程师能够对故障排除进行根本原因分析。为此，这些缺陷的大小和形状提供了关键信息。这就是AFM的用武之地。我们可以对这些缺陷进行非破坏性检查。”凯默说。

还有各种混合工具。例如，AFM可以与红外光谱(AFM- ir)相结合进行化学分析。

afm在各种后处理步骤中获得了最大的吸引力，特别是蚀刻和化学-机械-抛光(CMP)。在晶圆厂流程中，材料被沉积在晶圆上。使用CMP系统去除多余的材料并使表面平面化。有时，CMP工艺可能会对表面造成不必要的侵蚀或冲刷效应。在后cmp过程中，AFMs进行埃级的表面粗糙度测量。

然而，这项技术面临着一些挑战。首先，AFMs与其他工具相比速度较慢。此外，虽然AFM系统中的微小尖端能够在结构的沟槽内进行测量，但很难为最小的沟槽开发足够小的尖端。

Imec材料和部件分析主管Paul van der Heide说:“想象一下，用物理针尖测量高纵横比结构(FEOL)的侧壁地形，比如一个又深又窄的陨石坑的侧壁。”“AFM是它的缩小版。当陨石坑内的特定层有选择性蚀刻时，这就变得更加困难。无论针有多小，几何问题和尖端附着力都变得越来越令人担忧，特别是如果针要以相对于晶圆表面的角度引入。此外，还需要确保针头保持足够的坚固性，因为松软的针头会进一步加剧粘连问题。但话虽如此，关于afm总是有一些有趣的想法。”

AFMs的速度也越来越快。布鲁克出售一款300mm AFM工具，专为高级节点的cmp后分析和蚀刻测量而设计。吞吐量每小时超过300个站点，或每小时超过30片晶圆。

还有其他方法可以加速afm。传统工具由一个AFM头组成。相比之下，Nearfield正在开发一种带有四个AFM头的工具，这可以提高吞吐量。Nearfield的工具还具有新的成像模式，可在深窄沟槽中进行测量。

与此同时，Infinitesima开发了一种快速探针显微镜(RPM)，这是该技术的高速版本。Infinitesima总裁兼首席执行官Peter Jenkins表示:“随着半导体工艺的不断扩大，计量和检测无法跟上先进工艺的需求。“我们需要第三维度的计量学。AFM在这方面做得很好，但传统的AFM很慢，需要几分钟才能捕捉到一张图像。探头寿命是基于探头的计量系统的另一个主要挑战。Infinitesima开创了一种不同于经典AFM的3D计量探头技术。让我们与众不同的是，我们集成了一个干涉仪系统来测量探针在三个轴上的确切位置。探测器的光热激活使我们的操作速度比经典的AFM系统快100倍，并且没有传统探测器的寿命问题。”

RPM针对各种应用程序。首先，蔡司在掩模维修工具中集成了RPM模块，以验证维修。其次，Infinitesima和Imec正在利用RFM进行3D断层扫描。第三，Infinitesima正在开发一个独立的计量系统。

afm在逻辑上适合什么
时间会告诉我们新系统是否会改变AFM的格局。尽管如此，afm总体上将在器件的发展中发挥作用。

制造各种类型的芯片是一个具有挑战性的过程。给定的器件在晶圆厂中使用不同的设备经历大量的工艺步骤。每一步都可能发生事故，导致芯片的缺陷和/或变化。

因此，在晶圆厂，设备检查缺陷使用检测系统。芯片结构测量使用计量工具，以确保他们符合规格。

有不同类型的计量系统，细分为各种类别，如尺寸、成分和其他。组成部分包括测量薄膜厚度的计量系统。

AFMs, CD- sem，光学CD (OCD)和其他工具属于尺寸计量范畴，它们对结构进行CD测量，如高度，长度和宽度。

临界尺寸扫描电子显微镜(CD-SEM)进行自上而下的测量。使用偏振光，强迫症涉及一个工具，执行CD和胶片测量。OCD使用一种称为散射测量法的测量技术，它可以表征样本的性质。

每种芯片类型都有不同的计量要求。以逻辑为例。多年来，领先的逻辑芯片，如微处理器，都是基于传统的平面晶体管。芯片包含了许多晶体管，这些晶体管就像设备中的开关一样工作。

在28nm及以上，平面晶体管结构由更大的特征组成。对于平面晶体管，计量是一个简单的过程。芯片制造商在这里使用少量的计量系统，即cd - sem和光学工具。AFM用于后cmp和蚀刻应用。

该公司高级副总裁Kevin Heidrich表示:“传统节点的关键步骤主要是通过薄膜计量来测量沉积、蚀刻和CMP步骤，并使用cd - sem进行尺寸控制上的创新．在堑壕、隔墙和其他简单的3D应用中，采用了OCD测量技术。”

在20nm工艺中，平面晶体管耗尽了动力，半导体世界随之改变。从十年前开始，该行业转向了下一代晶体管finfet。在finfet中，电流的控制是通过在翅片的三个侧面各安装一个栅极来实现的。

FinFETs使行业能够迁移到下一个节点。但finfet也更难在晶圆厂制造和表征。finfet由微小的三维结构和复杂的材料组成，很难测量。

这就解释了为什么finfet需要十几种不同的计量系统，包括AFMs, cd - sem, OCD和x射线等等。

对于许多CD测量，芯片制造商倾向于使用OCD。Onto的Heidrich说:“在finfet的发展过程中，高度、侧壁和其他维度变得越来越重要。”“这推动了强迫症的广泛采用。”

对于finfet, AFM传统上用于绘制CMP的侵蚀和碟形效应。还有其他可能的应用。在一篇论文中，Bruker和GlobalFoundries已经展示了使用它进行鳍片高度和栅极轮廓测量的能力。

然而，在3nm节点之后，finfet将失去动力。因此，从2022年的3nm节点开始，一些芯片制造商将迁移到下一代晶体管类型gate-all-around(棉酚)．GAA提供了更好的性能和更少的泄漏，因为电流的控制是在结构的四个侧面完成的。

图2:平面晶体管、finfet、全能栅极晶体管

GAA也涉及到几个挑战。“对于finfet，我们必须学习如何比以前更好地在侧壁上进行半导体处理，但我们仍然可以看到我们正在做的一切，”David Fried说，该公司计算产品副总裁林的研究．“在gate-all-aroundnanosheets/纳米线，我们必须在我们看不到的结构下进行处理，在那里测量更具挑战性。这将是一个更加困难的过渡。”

对于GAA，芯片制造商将需要与finfet相同类型的测量工具。每个工具在流程中都有自己的位置。例如，OCD将提供几个CD测量值。有些测量方法比其他方法更难。

“虽然在为新架构开发工艺流程时存在许多挑战，但在GAA结构中更关键的问题之一是内部间隔层的蚀刻。这一过程确保了恰到好处的蚀刻量被应用于释放纳米片，”Imec的van der Heide说。“在这一领域，业界感兴趣的两种无损在线测量技术发展是散射测量(穆勒矩阵光谱椭圆偏振仪)和拉曼光谱，通过破坏性TEM截面分析提供了先验验证。”

afm也将在GAA中占有一席之地。范德海德说:“最主要的例子之一是确保CMP的实施达到正确的程度。”“太少，表面仍然太粗糙，而太多，正在抛光的薄膜可能会被完全去除。在这方面，AFM一直是行业的主力，可以追溯到平面结构，并将在可预见的未来继续这样做。”

对于GAA和其他设备，AFM供应商希望通过该技术扩大覆盖范围。例如，IBM和Bruker使用AFMs进行GAA，证明了表征外延生长过程后和沿侧壁的多个结构的能力。

然而，对于AFM来说，最大的挑战是窄沟应用于GAA和其他设备。创业公司Nearfield正在开发一种解决方案。

Nearfield首席执行官Hamed Sadeghian表示:“我们已经克服了传统AFMs在测量窄深沟槽方面的局限性。这是通过前馈轨迹规划器(FFTP)模式实现的。FFTP测量高展弦比结构，其中沟槽或孔直径的空间小于20 ~ 40nm，深度约为200nm。这种模式控制了探测器的运动，最大限度地减少了与侧壁的相互作用，并确保它能到达如此复杂结构的底部。”

对于finfet, Nearfield的工具处理3D轮廓。在GAA中，该系统被设计用于测量横向凹陷和沉积。

其他解决方案也在制定中。布鲁克的AFMs地址~4:1长宽比，测量特征12nm宽x 40nm深。Schmitz表示:“在我们的探头和模式开发中，我们正在对20nm、16nm和12nm CD x 30nm深度的EUV抗蚀剂进行测试，以表征线顶损失、线顶粗糙度和轮廓信息，从而支持GAA计量开发。”“此外，我们正在描述典型长宽比约为8:1的STI深度。AFM探针技术的下一步将发展为半径为1nm的单壁碳纳米管探针，用于在线测量3nm结构。”

先进包装计量
与此同时，afm也在先进的包装中发挥着作用。在先进的包装，其思想是在一个IC包中组装和堆叠复杂的芯片，创建一个系统级设计。

一段时间以来，包装公司已经推出了各种先进的包装类型，如2.5D/3D技术、扇出技术等。

高级包解决了几个挑战。例如，在系统中，数据在单独的处理器和内存设备之间来回移动。但有时这种交换增加了延迟和能量消耗。解决这个问题的一种方法是将内存和处理器更紧密地结合在一起，并将它们集成到一个包中。

还有其他的例子。每一代IC厂商都在芯片上集成更多的功能，但这种方法正变得越来越困难和昂贵。

解决这个问题的一种方法是将芯片分解成几个更小的芯片，然后将它们组装在一个封装中。这个概念叫做chiplets，可以降低开发系统级设计的成本。

“因此，系统可以通过使用最好的处理器组件和最优的性能/成本过程节点来优化，”来自中国的高级项目经理小刘说布鲁尔科学．

同时，每种包装类型使用不同的工艺制造。在某些情况下，模具堆叠并连接在一个封装中。为此，在模具顶部形成微小的铜微凸点。

然后，使用晶圆键合器，碰撞模彼此连接，并在封装内键合。凸起和支柱在封装中的不同设备之间提供小而快速的电气连接。

最先进的微凸点是间距为40μm的微小结构。利用现有设备，该行业可以将凹凸间距缩小到10μm。那么，行业就需要一种新的技术，即铜杂化键合。

针对10μm及以下的间距，混合键合连接模具使用微小的铜-铜连接，而不是凸点。混合键合提供了更多的互连密度，实现了一类新的3d类芯片架构。

但混合键合在晶圆厂提出了一些制造挑战。“最大的挑战是晶圆表面清洁度，晶圆翘曲，以及模具中铜和介电材料之间的台阶高度。联华电子．

在混合键合流程中，第一步是在晶圆上加工芯片。在晶圆的底部，使用不同的工艺步骤形成铜键合垫。然后，使用CMP工具将晶圆上的键合垫进行平面化。

然后，晶圆上的芯片经历一个激活步骤。该过程在另一块晶圆上重复。

使用晶圆键合机，两个带有铜衬垫的晶圆使用两步工艺键合。它是介电到介电键，然后是金属到金属的连接。

CMP过程在这里非常关键。如果晶圆被过度抛光，表面很容易被侵蚀，并且焊盘可能无法结合。如果未抛光，铜残留物会造成短路。

这就是AFM的用武之地。该工具测量和表征CMP工艺后的表面形貌和粘结垫，这是至关重要的。

“你说的不是一个平板电脑。根据定义，单个衬垫尺寸对AFM来说没有挑战性。重要的是要了解衬垫的粗糙度，然后是周围区域，或者从一种材料到另一种材料的过渡。你需要理解这些斜率。如果你没有一个准确的AFM，你就不会得到正确的信息，”Bruker的总监兼业务经理Hector Lara说。“现在，你看到的是多个匹配的平板。这不仅体现在“X”和“Y”的物理位置上，还体现在这些垫子的倾斜上。如果它们不匹配，如果你的计量系统没有能力进行低平面外运动，那么它就不会检测到这些不匹配和角度。这样，这种结合就不会那么有效，甚至会完全失效。”

混合键合还涉及其他计量步骤。

图3:混合键合流。来源:Leti

图4:晶片到晶片，晶片到晶片混合键合流程。来源:Leti

结论
afm也被用于内存中，它们被用来表征虚拟现实系统中的光学。生命科学是afm的一个大市场。

AFM是计量工具箱中的关键工具，但这些系统不能单独完成。该行业需要其他计量类型来确保成功的产品斜坡。

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