从实验室到工厂:保险丝IC过程压力越来越大

测试、计量和检验为实验室和工厂是必不可少的,但融合在一起,这样数据中创建一个很容易转移到另一个是一个巨大的挑战。

芯片行业多年来一直努力桥这些单独的世界,但经济、速度、和复杂性的变化需要一个新方法。永无止境地追求对规模较小、增速架构驱动需要高度创新和日益复杂的过程控制解决方案,提高产量,降低成本,加速投放市场的时间。许多这些解决方案最初是在实验室开发的设置,并成功地将它们集成到研发和大批量生产(HVM)环境对实现这些目标至关重要。

“新解决方案可以来自多种来源,“谢Wolfling说,首席技术官新星。“我们可以从头开始创新,我们可以齐心协力现有技术进入一个崭新的概念,或者我们可以研究已知的技术来确定如何革命的方式实现。当我们探索将实验室技术导入到工厂,我们可以缩短上市时间和更低的采用障碍,同时解决制造业的进步挑战。”

自建立制造行仔细调整,然而,任何新的测试或过程变化必须认真解决自动化、材料处理、结果报告和吞吐量需求的生产环境。

“晶圆厂,根据定义,保守,”约翰·Sturtevant说产品开发高级主管西门子EDA。“一旦他们正在运行,有一个稳定的产量,规则是不要碰任何东西。”

然而,随着架构收缩和新的集成电路材料和工艺开发,新的、更快的计量和过程解决方案,帮助增加产量,提高利润,或满足新的行业标准,还必须补充道。是一项复杂的任务,拉曼光谱是一个很好的例子。

拉曼光谱是一种光学技术用于表征。它依赖于非弹性散射光子,光与振动作用,或声子。振动模式的探索材料吸收或提高入射光子的能量,导致散射光的波长位移。“拉曼提到作为一个领先的lab-to-fab技术多年,但转型HVM成功必需的多种硬件创新,以及添加算法和建模层拉曼信号转化为精确和合适的定量材料数据,“Wolfling说。

的挑战之一拉曼测量散射信号极其微弱。此外,拉曼信号的波长通常是非常接近激动人心的激光线,造成重大挑战的有效过滤到达探测器的激光线。过渡到一个工厂环境要求实现快速拉曼检测在一个非常广泛的探测距离激发波长,同时保持无缝的,自动的,正在进行的校准协议,满足工厂环境的严格的精度要求。

图1:拉曼光谱HVM应用程序。来源:新

其他技术也有类似的变化。“将一个新工具移动到一个工厂可以是一个挑战,因为客户要么他们使用现有的过程,或者他们选择跳过计量的一步,因为这个过程是足够稳定,”朱丽叶·范德梅尔先生说,产品经理的力量。“他们的系统都经过精心调整,他们不想破坏。然而现在,特别是在汽车,我们看到规定计量验证变得越来越严峻的安全原因。需要晶圆厂实现这些计量工具,但它需要时间,它可以是一个主要的过程。这是一件大事。”

过渡实验室技术工厂通常需要完全重新设计的硬件架构。这包括新算法,强大的服务器分析大型数据流,硬件集成和创新方法。需要仔细考虑,确保工具的性能符合工厂要求,同时保持兼容现有的过程。

“工厂经理和开发经理非常注重过程,“Sturtevant说。“那不是会改变。他们每天上班想知道如何获得50个基点增加产量,或如何得到10%的收缩在某过程来帮助降低成本,不仅有一颗子弹。有很多小事情,它可能是,如果你在一个进程窗口可以提高5%和2%。然后加起来。麻烦的是,这一切都要花钱。不会有任何解决方案,它是完全免费的。”

在其他情况下,它可能需要全新从未使用的工厂方法。特别是5 g毫米波芯片,需要无线测试在实验室,确保它们正常工作,但这并不容易转化为工厂。

“无线测试在实验室很容易理解的,”陈Chang说,高级战略业务发展总监国家仪器。“你可以做更多不同的材料特性,并与beamformers天线模块可以对性能有很大影响。那些正装进手机,所以如果人们把他们的手放在顶部的天线模块,它将产生重大影响。在实验室环境中被研究的很透彻,通过认证和测试,和无线测试是至关重要的。一旦他们搬到生产方面,无线测试需要一个室,是相当昂贵的,所以许多芯片厂商利用大量的自校准技术。他们self-calibrate模块内的手机和现实环境使其更加灵活。但这也让更多的验证测试的负担。”

有时,实验室和工厂之间的差异不如他们对技术背景。用来描述一个过程的参数在实验室不可能准确反映出的现实工厂的可用数据。

“我认为这是一个很大的头痛,“说兰迪鱼、产品线管理主任Synopsys对此EDA集团。“新东西,客户告诉我们很难找出一个V_最小值是一部分,所以他们桌子上留下大量的电力通过设置得太高。衰老模型从铸造厂,和每个人都与衰老模型特征,这很好。但是一个很大的假设是工作负载。必须有某种任务配置文件,当你描述你做出假设。如果实际活动的因素不是你估计,和环境条件不会你认为他们要什么,然后可以产生一个结果,要么没有足够的一部分V_最小值保证金或有太多了。”

势在必行,因此,对于实验室演示实实在在的好处,从晶圆厂节约成本来获得支持。但要说服工厂经理和过程开发经理的好处和价值的这些新技术可能是一个艰巨的任务。价值主张必须包括有形的、可衡量的效益提供了新的解决方案,实现更严格的控制生产过程,节省宝贵的时间,或在实时应对新挑战。

满足工厂的挑战
第一个挑战在移动工具从实验室到工厂在于自动化技术无缝集成到工厂环境。这需要强大的硬件和软件基础设施的发展,高效的处理机制,recipe-driven流程,校准标准和自动校准程序。

“在实验室里,你经常使用优惠券,手动,你把它们,”范德梅尔先生说。“那么,第一个挑战是如何处理完整的晶片。这是关于工程,硬件更改,选择一个合适的晶片处理程序,和自动化这个过程是手动在实验室完成的。这些都是挑战,你没有在实验室和需要时间来开发和优化整个流程和软件和测量设置。”

自动化技术,然而,只是第一步,做一个新的计量解决方案适合工厂。注意力也必须给工厂连接和建立健壮的过程控制。工厂顺畅连接不同的工具和系统之间的通信和数据传输在工厂环境中。这个连接是必不可少的有效的过程控制和协调。此外,实现工具并匹配到纳米级别不同环境条件和维护稳定是至关重要的,以确保可靠的和一致的性能工具。

另一个挑战是提高性能的新的解决方案,以满足要求的需要生产环境。手动过程需要几天在实验室提供的特权实时进行少量的调整,以达到最好的结果。自由消失在一个高度自动化设置结果预计将在几分钟内,甚至是秒。

“如果一个OEM或合同制造商想减少节拍SMT线,他们可以购买另一个机器,因为它几乎总是瓶颈,”蒂姆•Skunes表示研发总监诺信的CyberOptics业务单元。“如果他们想去得更快,他们可以买另一个拾起并定位机,和另一个,等等,直到很快连续10个。但是他们仍然只打算买一个检测系统。因此这些系统更好的学会跟上。”

所需的一些关键改进实验室的成功过渡到一个新的解决方案包括:

• 吞吐量显著提高,跟上快节奏的HVM的性质
• 增强准确性和重复性,确保关键参数的精确测量和控制
• 先进的算法和数据分析套件从原始数据中提取定量信息,使综合分析和决策
• 相关应用程序的用例展示技术的有效性和价值在实际生产情况。

“你不仅需要做数据采集以极高的速度,但是也需要能够处理所有数据并生成高保真图像,“Skunes说。“我们开发算法的能力,我不仅要做的非常准确,我想做极快。”

无论多么优雅的解决方案可能是在实验室里,然而,过渡到一个研发或HVM工厂并不总是必要的成功。在实验室环境中效果良好的可能不会在大批量生产工作。

“支持HVM需求是一个巨大的挑战,”弗兰克说,应用程序和产品管理主管力量纳米表面和计量。“如果你想进入工厂环境中,有很多自动化考虑关于材料处理,结果报告,和吞吐量。可能是少量研发或实验室环境并不适合HVM。”

此外,与现有工厂基础设施无缝集成,鲁棒性在不同的环境条件,实现纳米级工具匹配方面的技术fab-worthy至关重要。

“在生产、采样率的要求,稳定、清洁,防静电安全、tool-matching,等等,”陈说。“工具足迹也很重要因为工厂内部的空间非常宝贵。“瑞士军刀”方法典型的实验室可能不是很适合晶圆厂,可能想要与更小的外形很专门的应用程序。所有这些需要仔细考虑和规划引入新工具或过程时的工厂。”

控制当地变异为这些新解决方案和管理多个设备参数和属性带来额外的挑战。一致性是很重要的,以确保可预测产量和实现过程严格控制窗口。

“最初,当你只是直接从实验室搬到工厂,你可能只有一个工具在每个站点上,“陈解释道。“当你部署舰队有多个工具在同一生产站点,你必须校准的所有工具给相同的测量,在一些空间。需要做的与硬件和软件校准调整工具差异,不幸的是,这意味着你通常de-tune偏差工具的舰队。所以你可能工具执行测量热,实际上是更好的,但你必须匹配您的最低执行工具,因为他们都有给同样的测量。”

经历这个过程是需要时间和精力的,所以公司应该寻找其他应用程序的工具,一旦他们被添加到混合。例如,拉曼光谱用于监控组成和压力,以及关键流程步骤nanosheet形成。但其容积敏感性也帮助当腐蚀牺牲nanosheet锗硅。锗硅体积变化显示了拉曼强度明显关联。

人类的元素
自动化、连通性、性能和一致性代表重大挑战过渡工具从实验室到工厂,但占人为因素也是一个重要的挑战,必须考虑在规划一个新的整合。

实现实验室技术在晶圆厂需要专业知识,尤其是在硬件设计等领域,软件工程,和算法开发。找到合适的人才可能会影响实现的速度。

“这可能是一个挑战找到合适的专家,”范德梅尔先生说。“软件工程师稀缺对每个人都好。最后,你完成它,但可能不是你希望的速度开始。”

另一个问题是,由于实验室技术人员和流程经理HVM有不同的担忧,他们经常用不同的语言对于新的解决方案和技术,这使得实验室和工厂之间的沟通更加困难。找到合适的人在两种环境中协调集成用最少的浪费时间是至关重要的。

“你需要的数据,让你做出决定,”托马斯·穆勒说,力量的高级总监。“这可以非常限制如果这样一个系统的运营商需要AFM专家与专业知识在光学物理学家,和一个红外光谱学家最重要的是。这就是为什么我们已经一大关注点简化和自动化系统操作,同时确保可靠的数据输出,所以能关注这些数据和过程意味着什么。”

从实验室到工厂:AFM-IR,西姆斯,x射线光谱

加大实验室流程时间的好处工厂可以产生负面影响的高速本质价值来源于实验室的结果,除非仔细的规划和现实的假设。

一个很好的例子,如何可以实现一个计量的改进技术,已经从实验室研发工厂设置是原子力显微镜-红外(AFM-IR)。传统的AFM技术通常受到衍射极限限制几微米的空间分辨率。然而,AFM-IR克服这种限制利用AFM小费作为纳米红外探测器。它结合了地形信息获取与红外光谱的化学特异性AFM。

“原子力显微镜在实验室和工厂一段时间,”穆勒说。”,但我们看到越来越多的采用与AFM-IR现在提供化学光谱法在纳米尺度上的振动光谱。一个现在可以在sub-10nm执行红外光谱分辨率和空间分辨率10微米左右的传统的红外光谱。我们谈论的是1000倍分辨率的改善。”

虽然AFM-IR礼物特殊决议和非破坏性的化学识别功能,移动AFM-IR从实验室到工厂需要大量的硬件和软件的修改,精确的红外照明,复杂的算法。AFM没有红外光源或红外光学,所以这是一个重要的硬件改变。

“我们的重点是光热光谱分析AFM-IR光谱学,”穆勒补充道。“美女之一的技术概念和物理非常好理解。从概念上讲,一个脉冲红外激光照明样品表面,导致热膨胀如果一个减震器。作为局部检测器。核心简单导致可判断的光谱,即。,光谱与红外光谱库关联非常好。”

实现这个修改后的技术需要仔细设计,定制和集成AFM-IR系统专门针对半导体制造的需求线。持续合作AFM-IR专家和半导体工艺工程师必须有效地应对这些挑战,确保成功的集成在不影响现有的制造流程。

尽管有这些问题,所提供的有价值的见解AFM-IR在sub-10nm材料组成的空间分辨率,正在帮助晶圆厂检测失败和提高整体产品质量至关重要。转化为更高的收益率,降低成本,增加利润。

”AFM-IR让你找出是什么提示,其化学性质。非破坏性的方法,”穆勒补充道。”如果一个设备晶片由遗留nano-contaminant影响之前的过程中,您可以将整个晶片系统中。晶圆片不需要被摧毁。即使是子- 100 nm横向和薄如纳米系统的灵敏度和分辨率来获得污染物的红外光谱,你可以与一个红外光谱库。

图2(下图)显示AFM-IR是如何工作的。首先,准备一个样品,这可能包括薄膜、表面或纳米结构。一个AFM探针尖端被带入与样品表面接触,和小费作为红外探测器。一个红外激光聚焦于AFM悬臂的后面,加热,使其扩大和弯曲。AFM提示扫描样品表面,它与IR-absorbing交互区域的样本,导致悬臂振动。这些振动测量用激光光束的偏转反射悬臂,和一个红外光谱。

通过扫描的AFM提示样本,逐点,一个红外吸收光谱可以获得在每个位置,生成高分辨率的化学样品表面的地图。AFM-IR传统红外显微镜提供了几个优势,包括能够达到纳米级别的空间分辨率和克服衍射极限。它还使化学成分的识别和映射与高空间分辨率,使其可用于研究纳米尺度的特性和缺陷。

图2:AFM-IR过程。来源:力量

另一个成功转型的例子从实验室到工厂涉及到二次离子质谱(SIMS)。与动态模拟人生,主要离子束器用样本和激发二次离子。二次离子质谱仪的收集和分析。然后计算每个物种监测并量化生产组合深度剖面。

”使西姆斯在线需要几个关键调整,”莎拉·冈田克也解释说,新产品营销主管。”包括利用源测量3 -二次离子,一个完全自动化的测量过程和更高的分辨率和深度数据密度来实现更好的灵敏度分钟浓度变化。在线模拟人生的主要优势是更快的数据——提供量化结果时间几小时,而不是几天。有额外的优势,包括在300毫米的测量晶圆不打断成优惠券,能够测量小计量垫在抄写员,并且能够生成一个晶片均匀性测量多个站点地图”。

图3:内联与实验室模拟人生。来源:新

第三个例子是最近发展的x射线检查自动内联x射线计量HVM生产线。

“x射线检查一直是常见的QA失效分析工具,”陈说道。“3 dct可以生成非常美丽的图像,但这是一个非常缓慢的过程。现在有一个解决方案将它转换为一个快速、自动内联HVM计量工具,帮助识别过程问题而不是缺陷。这个工厂解决方案以前从未存在,客户不知道他们需要这个,因为他们不认为这是可能的。”

但实现不是简单将晶片装载机或材料处理程序的工具。它需要完全重新设计的硬件架构,新算法,和更强大的服务器来分析大数据流。

采用“有障碍,”陈说道。“晶圆厂习惯于使用x射线检查失效分析实验室,只能看几个死了,需要几天转的结果。这是他们和他们的可见性来接受随着技术的能力。你需要可视化3 dct的缺陷,可以花费几个小时的时间,并最终应用检测裂纹non-wets resolution-limited的工具。现在与自动内联x射线计量,我们不仅能检测出缺陷,我们可以给一个评级系统等汽车级,工业品位,消费品位等。有可见性和数量的数据给他们的产品价格适当的信心。昨天客户想要的,努力把从实验室到工厂需要大量的集成工作要压缩成一个非常短的时间内。现在我们正在经历危机在其中的一些应用程序。”

结论
随着流程步骤的数量增加,收缩以及更高的采样率和设计规则,需要新的高效、高性能的计量解决方案成为当务之急。这些解决方案必须跟上发展半导体过程的复杂性提供准确的测量和控制,但可用的时间来研究和实现这些新工具继续萎缩。

半导体制造设备移动的挑战从实验室到工厂设置,不管是研发还是HVM,巨大的和多方面的。从时间约束、计量周期到复杂的设备结构和控制新材料,每个方面都需要创新的解决方案和一丝不苟的过渡过程。通过利用长期研究,调查现有的实验室技术和处理技术和采用挑战,半导体行业能够继续满足不断增长的需求的先进技术节点。