Geïntegreerde metrologie: chipmachines die zichzelf voortdurend controleren
Stel je een broodfabriek voor waar iedere oven een ingebouwde weegschaal en thermometer heeft, die na elke bakbeurt meteen doorgeven of het brood de juiste dichtheid en kerntemperatuur heeft. Wijkt iets af, dan stelt de volgende oven zich automatisch bij. Dat is in essentie wat geïntegreerde metrologie doet in de fabrieken waar computerchips worden gemaakt: meetapparatuur zit niet in een apart lab verderop, maar ingebouwd in of vlak naast de machine die het productieproces uitvoert.
In een chipfabriek (een 'fab') doorloopt een siliciumschijf, de wafer, honderden tot duizenden bewerkingsstappen: laagjes materiaal aanbrengen, patronen erin etsen, oppervlakken polijsten. Bij elke stap moet het resultaat op nanometer nauwkeurig zijn — een nanometer is een miljardste meter, ruwweg de breedte van een paar atomen naast elkaar. Metrologie is de meetkunde die controleert of dat gelukt is. 'Geïntegreerd' betekent dat die controle niet pas achteraf, ergens anders in het gebouw, gebeurt, maar direct bij de machine zelf, binnen seconden na de bewerking.
Wat is het precies?
Traditioneel werkte metrologie 'standalone' of 'off-line': een wafer werd na een bewerkingsstap uit de procesmachine gehaald, in een cassette gelegd, getransporteerd naar een aparte meetruimte in de cleanroom, daar in een wachtrij gezet en pas na verificatie teruggekoppeld. Dat proces kan uren duren, terwijl de fabriek intussen gewoon doorproduceert met de volgende partij wafers.
Bij geïntegreerde metrologie zit een meetmodule ingebouwd in dezelfde machine (of in een direct aangekoppelde kamer) die ook de bewerking uitvoert. De wafer wordt dus niet apart vervoerd; de meting gebeurt terwijl de wafer nog in hetzelfde vacuümsysteem of dezelfde productielijn zit. Gangbare meettechnieken zijn optische methoden zoals reflectometrie en ellipsometrie (die meten hoe licht van een laagje terugkaatst of buigt om de dikte te bepalen), scatterometrie — ook wel optical critical dimension (OCD) metrologie genoemd, die uit lichtverstrooiingspatronen de vorm en breedte van piepkleine structuren afleidt — en eddy-current-sensoren, die met wervelstromen de resterende dikte van een metaallaag tijdens het polijsten bewaken.
Belangrijk is het onderscheid met verwante termen. 'In-situ' meten gebeurt tijdens de bewerking zelf, bijvoorbeeld om het exacte moment te detecteren waarop een etsstap klaar is. 'In-line' metrologie staat dicht bij de productielijn maar in een eigen kastje. 'Geïntegreerd' zit letterlijk in of aan de procesmachine vast. De meetdata gaat automatisch naar de besturingssoftware van de machine, die vervolgens instellingen voor de volgende wafer bijstelt — dit heet run-to-run control, onderdeel van wat de industrie advanced process control (APC) noemt. Een verwant, nieuwer idee is virtuele metrologie: in plaats van fysiek te meten, voorspelt een softwaremodel (vaak met machine learning) op basis van proceswaarden hoe de wafer eruitziet, als aanvulling op of gedeeltelijke vervanging van echte metingen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het belangrijkste doel is snelheid van terugkoppeling. Hoe eerder een afwijking wordt opgemerkt, hoe minder volgende bewerkingsstappen op een al foutieve wafer worden uitgevoerd — en hoe minder dure chips verloren gaan. Een moderne wafer bevat honderden tot duizenden chips die elk tientallen tot honderden euro's waard kunnen zijn; een fout die pas na honderd extra stappen wordt ontdekt, is veel kostbaarder dan een fout die na één stap wordt gecorrigeerd.
Daarnaast verkleint geïntegreerde metrologie de doorlooptijd (de tijd die een wafer in de fabriek doorbrengt), omdat transport naar en wachttijd bij een aparte meetruimte wegvalt. Voor de allerkleinste chipstructuren, met toleranties van een paar atomen, is bovendien continue, fijnmazige controle nodig om het proces binnen de gewenste marges te houden — iets wat met steekproefsgewijze, losstaande metingen niet meer haalbaar is. Tot slot leveren geïntegreerde sensoren een constante stroom data die gebruikt wordt voor statistische procesbeheersing en voor het trainen van voorspellende modellen, wat weer bijdraagt aan verdere automatisering van de fabriek.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Israëlische bedrijf Nova (opgericht in 1993, sinds 2000 genoteerd aan de Nasdaq) geldt als een van de pioniers: het ontwikkelde vanaf de late jaren negentig optische meetmodules die rechtstreeks op polijst- en lithografiemachines van andere fabrikanten worden gemonteerd, in plaats van als losstaand apparaat.
Applied Materials, een van de grootste bouwers van procesapparatuur, biedt al geruime tijd geïntegreerde metrologie-opties aan op zijn CMP-machines (chemical mechanical planarization, het chemisch-mechanisch polijsten van laagjes) om tijdens het polijsten precies te bepalen wanneer de gewenste dikte is bereikt.
Het Nederlandse ASML uit Veldhoven levert met zijn YieldStar-systemen metrologie die nauw samenwerkt met de lithografiescanners (de machines die met licht chippatronen op een wafer belichten). Deze systemen meten overlay — hoe nauwkeurig een nieuwe laag patroon aansluit op de vorige — en scherpstelling, en spelen die informatie razendsnel terug naar het productieproces. Bij extreme ultraviolette (EUV) lithografie, waarbij met zeer korte lichtgolflengtes wordt gewerkt, is deze snelle terugkoppeling onmisbaar omdat de toegestane afwijkingen nog kleiner zijn geworden.
Onderzoeksinstituut imec in Leuven werkt al jaren nauw samen met chipmachinebouwers en metrologiebedrijven aan toekomstige productiegeneraties, waaronder de opvolger van EUV-lithografie met een grotere lensopening (High-NA EUV). Metrologie-cofinetuning is daarbij een vast onderdeel van dit precompetitieve onderzoek, omdat nieuwe belichtingstechnieken ook nieuwe manieren vragen om resultaten te controleren.
Ook grote chipfabrikanten als Intel, Samsung en TSMC zijn zelf actief: zij bouwen geïntegreerde metrologiestations in hun geavanceerdste productielijnen in, bijvoorbeeld in Intels fabrieken in de Amerikaanse staat Oregon, om chips op de kleinste knooppuntgroottes (rond en onder de 3 nanometer) binnen budget te houden.
Hoe ver is de techniek?
Voor relatief eenvoudige metingen, zoals laagdikte, is geïntegreerde metrologie al meer dan twintig jaar een gangbaar en volwassen onderdeel van commerciële chipfabrieken. Op dat vlak is het geen experimentele technologie meer, maar dagelijkse praktijk bij vrijwel elke fabrikant van geavanceerde chips.
Lastiger wordt het bij de nieuwste generaties chips. Moderne transistors zijn geen platte structuren meer maar driedimensionale vormen — denk aan FinFET- en gate-all-around-transistors, waarbij het geleidende kanaal van alle kanten wordt omgeven door een poortelektrode. Zulke 3D-structuren zijn met optische technieken lastiger te meten zonder ze te beschadigen of te verstoren, zeker als de te meten laag onder andere lagen begraven ligt. Ook het combineren van sensoren van verschillende leveranciers in één machine, en het zorgen dat metingen van verschillende sensoren onderling vergelijkbaar blijven ('tool-to-tool matching'), blijft een technisch en organisatorisch knelpunt.
Een duidelijke trend is de combinatie van geïntegreerde metrologie met virtuele metrologie en kunstmatige intelligentie: niet elke wafer hoeft nog fysiek gemeten te worden als een model op basis van procesparameters het resultaat betrouwbaar kan voorspellen, wat kosten en tijd bespaart. Standaardisatie-organisaties zoals SEMI en roadmapdocumenten zoals de International Roadmap for Devices and Systems benoemen geïntegreerde en virtuele metrologie al jaren als noodzakelijke stap om aan de precisie-eisen van toekomstige chipgeneraties te kunnen voldoen, al blijft de daadwerkelijke implementatie per fabriek en per toepassing sterk verschillen — betrouwbare, publiek vergelijkbare cijfers over de mate van adoptie zijn schaars, omdat fabrikanten hun exacte procescontrolestrategie meestal niet openbaar maken.
Wie werken eraan?
Aan de kant van de machinebouwers zijn ASML (Veldhoven, Nederland), Applied Materials en Lam Research (beide Verenigde Staten) en Tokyo Electron (Japan) de belangrijkste bedrijven die procesmachines met ingebouwde metrologie leveren. Aan de kant van gespecialiseerde metrologie- en inspectiebedrijven zijn KLA Corporation (voorheen KLA-Tencor, Verenigde Staten), Nova (Israël) en Onto Innovation (ontstaan in 2019 uit een fusie van Nanometrics en Rudolph Technologies, Verenigde Staten) toonaangevend; zij leveren zowel losstaande als geïntegreerde meetmodules aan de machinebouwers.
Op onderzoeksniveau speelt imec in Leuven een centrale rol als neutraal platform waar chipmakers, machinebouwers en metrologiebedrijven vroegtijdig samenwerken aan nieuwe generaties productietechniek. Brancheorganisatie SEMI ontwikkelt technische standaarden die het uitwisselen van metrologiedata tussen machines van verschillende fabrikanten mogelijk maken. Uiteindelijk zijn het de grote chipfabrikanten zelf — onder meer TSMC (Taiwan), Samsung (Zuid-Korea) en Intel (Verenigde Staten) — die deze technologie in hun fabrieken toepassen en zo mede bepalen welke meetmethoden zich verder ontwikkelen.