מטרולוגיה מבוססת ראמאן בטכנולוגיות מתקדמות לייצור שבבים

במהלך השנים האחרונות, מהפכה רוחשת בתעשיית המוליכים למחצה. הטרנד הותיק של גידול בצפיפות הטרנזיסטורים ליחידת שטח ושיפור הביצועים ליחידת הספק נתקל כעת בהגבלות פיזיקליות בסיסיות הגורמות לסטייה מן העקרונות המוכרים כחוק מור וכסילום של דנארד (עקרון צריכת אנרגיה בעת מזעור שבבים). משבר זה הוביל לסערת חדשנות וגישות מהפכניות חדשות בעיצוב ובעקרונות תפעול של מוליכים למחצה, ולדרכים חדשות לשיפור ביצועים.¹ מרכיב עיקרי בשינוי זה קשור לשימוש בחומרים חדשים, יצירת תרכובות ושליטה על תכונות חומרים כחלק מהארכיטוקטורה בבסיס תכנון השבבים. השימוש בחומרים חדשניים מעלה צורך בטכניקות אנליטיות ומטרולוגיות תואמות לשליטה בתהליך.

טכניקה בולטת שנונת מענה לצורך זה היא ספקטרוסקופיית ראמאן, שכבר מוכרת כפתרון מטרולוגי מהמעלה הראשונה בתעשייה הפטרוכימית והפרמקולוגית לניתוח איכותי וכמותי.² עד כה, בשימוש בה בתעשיית המוליכים למחצה היה מוגבל לאפליקציות מעבדה. הודות לשיפורים טכנולוגיים בכל מרכיבי המפתח שבסיס טכניקה זו - ממקורות לייזר יציבים במיוחד, דרך פילטרים מהמעלה הראשונה ועד גלאי רעש נמוך, טכניקה זו בת 90 השנים הופכת כעת לטכניקה מטרולוגית מבטיחה וגמישה לשימוש בקביעת תכונות חומרים במפעל לייצור שבבים בקנה מידה גדול (High Volume Manufactoring, or HVM)

ספקטרוסקופיית ראמאן (RS)

ספקטרוסקופיית ראמאן (RS) משמשת לחקר מבני של חומרים ומולקולות ללא הרס. דבר זה מושג על ידי מדידת האנרגיות של רעידות השריג ומושגת באמצעות מדידת פיזור אור לא-אלסטי מהדוגמא. לחומרים פעילי ראמאן יש 'טביעת אצבע' טיפוסית במיקשתת (=ספקטרום) הראמאן שלהם, אשר באמצעותה ניתן לזהותם וגם ללמוד על תכונותיהם הפיזיקליות. יתרה מזאת, מבנים מלקולריים ופאזות גבישיות שונים לרוב גורמים לקבלת מקשתת ראמאן מובדלת לגמרי, המאפשרת זיהוי והבחנה חד-חד ערכיים, מדוייקים והדירים של הרכב ותכונות החומרים הנבדקים.

RS מספקת גישה למשימות איפיון חומרים מגוונות, כולל מדידות מאמצים / עיבור (STRESS / STRAIN), לקויות במבנה הגבישי, איתור שאריות, קביעת הרכב ורמת האילוח במוליך למחצה. על אף הפוטנציאל הכביר, ישנו אתגר גדול בהתאמת הטכנולוגיה לצורת העבודה המקובלת במפעלי הייצור, הזקוקים למדידות מקוונות בקנה מידה גדול: RS היא איטית מטבעה, דורשת כיול לעיתים תכופות ומושפעת בקלות מתנאים סביבתיים כגון רעש אקוסטי, רעידות ושינויי טמפרטורה. זהו המקום בו כלי המדידה Elipson עושה את ההבדל - ומציע מטרולוגיה מבוססת ראמן מהירה, יציבה ביותר, בעלת כיול עצמי ואוטומטית לגמרי.

 ^® NOVA Elipson - למדידות ראמאן מקוונות

 NOVA Elipson הוא כלי מטרולוגי מקוון מתקדם ביותר המגשר על הפער בין מטרולוגיית מעבדה לבין קביעת תכונות חומרים במפעל לייצור שבבים, ומוביל את ספקטורסקופיית ראמאן לייצור בקנה מידה גדול. הוא משלב מספר תכונות עיצוביות ייחודיות כדי לספק מדידות מדוייקות וגמישות שמאפשרות מעקב אחר טווח של תכונות חומרים - לצורך מחקר ופיתוח ולצורך ייצור בקנה מידה גדול.⁵

הפלטפורמה משתמשת במגוון מקורות אור מבוססי לייזר באורכי גל בתחום הנראה, ושולטת במדוייקת בתכונותיהם. שילוב מספר אורכי הגל מעניקה ל-Nova Elipson רגישות למדידת אופן השתנות תכונות החומר במימד האנכי - כגון חלוקת מתח אנכי, מידת הגבישיות או גודל גרעין ממוצע לאורך גיאומטריות בעלות יחס רוחב-גובה גדולות.

Nova Elipson מאפשר רזולוציה מרחבית בקנה מידה תת-מיקרוני. באופן זה, תכונות מקומיות, למשל באזור יחיד של תא זיכרון, ניתנות לזיהוי ומאפשר שליטה בתהליך.

אחד מהאתגרים של מדידות ראמאן הוא שהאור המפוזר המכיל את המידע אודות החומרים ותכונותיהם הוא חלש ביותר. כמו כן, לעיתים קרובות אורך הגל של אות הראמאן קרוב מאוד לקרן הלייזר המעוררת, מה שמהווה אתגר משמעותי בסינון יעיל של קרן הלייזר מלהגיע לגלאי. העיצוב של ה-Nova Elipson כולו בנוי סביב אתגרים אלה, ומציע אות ראמאן מהיר בטווח נרחב ביותר של כל אורכי הגל של האור המעורר. לבסוף, הכלי מיועד לפרוטוקולי כיול אוטומטיים, רציפים וללא הרס, ועומד בדרישות דיוק מחמירות של סביבת הייצור.

העתיד של מטרולוגיית חומרים במפעל לייצור שבבים

מבחינה היסטורית, ייצור מקוון בקנה מידה גדול של פתרונות מטרולוגיים התרכז ברובו באיפיון מימדי. עם הגידול במגוון ובמורכבות החומרים המשמשים בתהליך הייצור והשליטה בניואנסים של תכונותיהם, מטאורולוגיית חומרים ושליטה בתהליך הולכים ונעשים שכיחים. זירה חדשה זו מציגה מערך צרכים מטרולוגיים מגוונים ביותר, עבורם ה-Nova Elipson מציע פתרון גמיש, מהיר, לא הרסני ובעל אוטומציה מלאה.

Nova Elipson הדגים יכולות איפיון מתקדמות ביותר למערך נרחב של שימושים, הכוללים אפליקציות בעולם המעבדים, למשל איפיון מאמצים / עיבור, הרכב, רמת אילוח, לקויות במבנה הגבישי וזיהוי שארית חומר בטרנזיסטור. היצע אפליקציות נרחב דומה קיים בשוק הזיכרון, לאפיון פאזות, מדידת גודל מידת גרעון וגודל גרעין. אין זה פלא שכלי זה מתפשט במהירות בשוק, וכל העת מתפתחים ומתווספים מקרי שימוש נוספים לטכנולוגיה, ומרחיבים את פוטנציאל היישום של RS בקביעת תכונות חומרים במפעל לייצור שבבים.

רפרנסים וקריאה נוספת

1. Lambrechts, W., Sinha, S., Abdallah, J. A., & Prinsloo, J. (2018). Extending Moore's Law through Advanced Semiconductor Design and Processing Techniques. CRC Press.
2. Paudel, A., Raijada, D., & Rantanen, J. (2015). Raman spectroscopy in pharmaceutical product design. Advanced Drug Delivery Reviews, 89, 3–20. https://doi.org/10.1016/j.addr.2015.04.003
3. Khatibi, S., Ostadhassan, M., & Aghjanpour, A. (2018). Raman spectroscopy : an analytical tool for evaluating organic matter Raman spectroscopy : an analytical tool for evaluating organic matter. Journal of Oil, Gas and Petrochemical Sciences, 2(1), 00007. https://doi.org/10.30881/jogps.00007
4. NOVA Elipson, Nova, (2021), https://www.novami.com/nova-product/nova-elipson/, accessed 20^th January 2021
5. Schmidt, D., Cepler, A., Oren, Y., & Fishman, D. (2021). In-line Raman spectroscopy for stacked nanosheet device manufacturing. Proceedings Volume 11611, Metrology, Inspection, and Process Control for Semiconductor Manufacturing XXXV;116111T 2021) https://doi.org/10.1117/12.2582181