En ny studie av forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har avslöjat en felkälla i en industristandardkalibreringsmetod som kan leda till att mikrochipstillverkare förlorar en miljon dollar eller mer i en enda tillverkningskörning. Problemet förväntas bli allt mer akut när chiptillverkarna packar allt fler funktioner i allt mindre utrymme.

Felet uppstår vid mätning av mycket små flöden av exotiska gasblandningar. Små gasflöden uppstår under kemisk ångavsättning (CVD), en process som inträffar inuti en vakuumkammare när ultra-förtärda gaser strömmar över en kiselskiva för att avsätta en fast film. CVD används ofta för att tillverka många typer av högpresterande mikrochips som innehåller så många som flera miljarder transistorer. CVD bygger upp komplexa 3D-strukturer genom att deponera successiva lager av atomer eller molekyler; vissa lager är bara några få atomer tjocka. En kompletterande process som kallas plasmaetsning använder också små flöden av exotiska gaser för att producera små detaljer på ytan av halvledande material genom att ta bort små mängder kisel.

Den exakta mängden gas som injiceras i kammaren är avgörande för dessa processer och regleras av en anordning som kallas massflödesregulator (MFC). MFC:er måste vara mycket noggranna för att säkerställa att de avsatta skikten har de nödvändiga dimensionerna. Den potentiella påverkan är stor eftersom spån med felaktiga lagerdjup måste kasseras.

"Flödesonoggrannheter orsakar ojämnheter i kritiska egenskaper i wafers, direkt orsakar avkastningsminskning, sa Mohamed Saleem, Chief Technology Officer på Brooks Instrument, ett amerikanskt företag som tillverkar MFC:er bland andra precisionsmätenheter. "Ta hänsyn till kostnaderna för att driva renrum, förlusten på ett parti wafers som skrotats på grund av oregelbundenheter i flödet kan uppgå till runt $500, 000 till $1, 000, 000. Lägg till den kostnaden processverktygets driftstopp som krävs för felsökning, och det blir oöverkomligt dyrt."

Moderna nanotillverkningsanläggningar kostar flera miljarder dollar var, och det är i allmänhet inte kostnadseffektivt för ett företag att ständigt finjustera CVD och plasmaetsning. Istället, anläggningarna är beroende av noggranna gasflöden som kontrolleras av MFC. Vanligtvis, MFC:er kalibreras med metoden "rate of rise" (RoR), som gör en serie tryck- och temperaturmätningar över tiden när gas fyller en uppsamlingstank genom MFC:n.

"Bekymmer om noggrannheten av den tekniken uppmärksammades nyligen när en stor tillverkare av utrustning för spåntillverkning upptäckte att de fick inkonsekventa resultat för flödeshastigheten från sina instrument när de kalibrerades på olika RoR-system, " sa John Wright från NISTs Fluid Metrology Group, vars medlemmar utförde felanalysen.

Wright var särskilt intresserad eftersom han i många år hade sett att RoR-avläsningar inte överensstämde med resultat som erhölls med NIST:s "guldstandard" tryck/volym/temperatur/tidsystem. Han och kollegor utvecklade en matematisk modell av RoR-processen och utförde detaljerade experiment. Slutsatsen:konventionella RoR-flödesmätningar kan ha betydande fel på grund av felaktiga temperaturvärden. "Gasen värms upp genom flödesarbete när den komprimeras i uppsamlingstanken, men det är inte lätt att förklara:det är svårt att mäta temperaturen på nästan stationär gas."

Wright och kollegor fann att utan korrigeringar för dessa temperaturfel, RoR-avläsningar kan minska med så mycket som 1 procent, och kanske betydligt mer. Det kanske inte verkar så mycket, men låg osäkerhet är avgörande för att uppnå enhetlighet och kvalitet i chiptillverkningsprocessen. Och utmaningen växer. Nuvarande låga flödeshastigheter inom halvledarindustrin ligger inom intervallet en standardkubikcentimeter (1 sccm) - ungefär volymen av en sockerbit - per minut, men de kommer snart att krympa med en faktor på 10 till 0,1 sccm.

Exakt flödesmätning är ett särskilt allvarligt problem för tillverkningsprocesser som använder etsning av avsatta skikt för att bilda dikesliknande egenskaper. Isåfall, MFC:n är ofta inte öppen i mer än några sekunder.

"En liten mängd variation i flödeshastigheten har en djupgående effekt på etsningshastigheten och kritiska dimensioner av strukturerna" i mycket storskaliga integrerade kretsar, sa Iqbal Shareef från Lam Research, ett företag med huvudkontor i Kalifornien som tillhandahåller precisionsutrustning till mikrochipstillverkare.

"Så, vi är extremt oroade över att flödeshastigheterna är exakta och konsekventa från kammare till kammare och wafer till wafer, "Sade Shareef. "Vår industri är redan på väg mot mycket små flödeshastigheter."

"Vi pratar om wafer-likformighet idag på nanometer- och till och med subnanometerskalan, sa Shareef.

Det är väldigt litet. Men det är vad komplexiteten i tredimensionell chiptillverkning kräver alltmer. För inte så länge sedan, "en 3-D integrerad krets som brukade ha fyra lager av metaller, sa William White, Director of Advanced Technology på HORIBA Instruments Incorporated, ett globalt företag som tillhandahåller analys- och mätsystem. "Nu går företag regelbundet till 32 lager och ibland till 64. Just i år hörde jag om 128." Och några av dessa marker har så många som 3, 000 processsteg.

"Varje 300 mm wafer kan kosta upp till $400, och innehåller 281 stansar för en stansstorlek på 250 till 300 mm ² , ", sa Brooks' Saleem. "Varje tärning i dagens avancerade integrerade kretsar består av cirka tre till fyra miljarder transistorer. Varje wafer går igenom 1 eller 2 månaders bearbetning som inkluderar flera körningar av separata individuella processer, "inklusive kemisk ångavsättning, etsa, litografi och jonimplantation. Alla dessa processer använder dyra kemikalier och gaser.

Många företag undersöker redan sina rutiner i ljuset av NIST-publikationen, som ger nödvändiga teoretiska förklaringar för källan till RoR-flödesmätningsfel. Teorin vägleder designers av RoR-uppsamlingstankar och visar lättanvända korrigeringsmetoder. RoR-teori visar att olika temperaturfel kommer att uppstå för de olika gaserna som används i CVD-processer. NIST-publikationen tillhandahåller också en modellosäkerhetsanalys som andra kan använda för att veta vilken nivå av överensstämmelse man kan förvänta sig mellan MFC:er kalibrerade på olika RoR-system.

"NIST fungerar som en pålitlig referens för kunskap och mätning där industrin kan bedöma överensstämmelse mellan sina system, "Wright sa. "Eftersom tillverkarnas mätningsbehov pressar till allt lägre flöden, så kommer NIST-kalibreringsstandarder."

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.