‘Eén wafertje per uur doormeten, volstaat niet meer’

Door de voortdurende schaling nemen de acceptabele foutmarges in lithografie en andere IC-productiestappen af, terwijl chipmakers steeds meer nieuwe materialen willen of moeten gebruiken. Om die uitdagingen het hoofd te bieden, leunt de halfgeleiderindustrie steeds meer op metrologie. Dit fenomeen heeft zich ontwikkeld tot een hele industrie, maar wat is het eigenlijk? Bits&Chips ging te rade bij ASML en Imec.

De media stuurden vorig jaar, zo tegen het einde van de zomer, een bizar nieuwtje de ether in: de kilo werd lichter. Hoe kon dat nu? De cilinder van platina-iridium ligt immers in een kluis vlakbij Parijs, hermetisch afgesloten van stof en vuil onder drie glazen stolpen, en komt daar maar zelden onderuit. Dat gebeurt eigenlijk alleen wanneer de tientallen kopieën uit alle windstreken huiswaarts keren voor een vergelijking met de ’Grand K‘. Bij de meest recente meting vorig jaar bleek het verschil tussen de standaardkilo en het gemiddelde van de kopieën zo‘n vijftig microgram te bedragen.

Eigenlijk was het helemaal geen nieuws. Bij de herijking van de kilo komen steevast discrepanties aan het licht, en de nazomer van 2007 was geen uitzondering. Ondanks alle voorzorgsmaatregelen verzamelen de standaard en zijn kopieën toch een beetje vuil of verliezen een atoompje of wat bij de schoonmaakprocedure. Maar omdat de kilo in bezit van het Internationaal Bureau voor Maten en Gewichten niet van massa kán veranderen, moeten de kopieën telkens een beetje worden aangepast.

De kilogram is de laatste basiseenheid in het Système International die wordt gekalibreerd aan de hand van een tastbaar object. Alle andere zijn op de een of andere manier gekoppeld aan een natuurconstante. De meter was bijvoorbeeld vroeger per definitie de afstand tussen twee krasjes op een stuk platina. Tegenwoordig wordt hij echter bepaald door de lichtsnelheid. Per definitie is de meter de afstand die licht in vacuüm aflegt in 1/299792458ste seconde. Wetenschappers proberen al jaren iets vergelijkbaars uit te dokteren voor de kilo, met als meest recente bijdrage een heel precieze bol voor 99,99 procent gemaakt van 28Si. Door atomen te gaan tellen, willen de onderzoekers de constante van Avogadro herbepalen en die weer gebruiken om de gewichtsmaat opnieuw te definiëren.

Nieuws of niet, het is materie die veel mensen boeit. Het zal voor velen een van de weinige aanvaringen zijn met de metrologie, in Van Dale gedefinieerd als de leer der maten en gewichten. Want behalve krantenkoppen in de trant van ’de kilo op dieet‘, zal deze discipline op menigeen muf en stoffig overkomen. Wie maalt er immers om 50 microgram op een kilo? Alleen een stelletje pietepeuterige professoren toch?

Niet helemaal. Er bestaat ook zoiets als industriële metrologie. Tijdens een productieproces is het vaak uitermate belangrijk tussentijdse metingen uit te voeren. Daar moeten regels voor worden vastgelegd, bijvoorbeeld hoe en hoe vaak er gemeten moet worden of welke meetwaarden acceptabel zijn binnen de vastgestelde procescontroleparameters. Het moge duidelijk zijn dat dit soort kwesties van levensbelang is in een hightech precisiediscipline als de chipmakerij.

Industriële metrologie in een IC-context betekent meten, maar niet kapotmaken. Wafers die aan een metrologische inspectie zijn onderworpen, kunnen daarna gewoon verder worden verwerkt. Dat maakt het toch net iets anders dan de algemene term ’karakterisatie‘, waar chemici en fysici soms van spreken.

Onbedoeld

Het belang van metrologie neemt alleen maar toe, afgaande op de niet aflatende stroom berichten in de vakmedia over metrologie in een IC-context. Typerend zijn bijvoorbeeld de cijfers die marktonderzoeker The Information Network vorig jaar presenteerde. De Amerikanen becijferden dat de markt voor metrologische apparatuur met zo‘n 18,5 procent groeide in 2007, terwijl de markt voor halfgeleidermachines in zijn totaliteit met bijna vier procent een beetje inzakte. Het jaar ervoor bleef IC-metrologie dan wel weer wat achter op de rest, maar het simpele feit dat een dergelijk nieuwtje de EE Times en Semiconductor International haalt, is al een goede aanwijzing dat metrologie een factor van belang is in de IC-industrie.

Meer bewijs komt uit Amerika. Het National Institute of Standards, het Amerikaanse equivalent van de Franse kilobewaarder, rommelt niet alleen met maatjes en gewichtjes, maar heeft een heus metrologieprogramma voor de halfgeleiderindustrie. En wie ten slotte in de gelegenheid was om onlangs de SPIE Advanced Lithography-conferentie in San José te bezoeken, heeft ASML‘s hoogste baas voor marketing en technologie, Martin van den Brink, letterlijk horen zeggen dat metrologie voor zijn tak van sport een belangrijke factor is geworden.

Van den Brinks collega Paul van Attekum, senior vicepresident Business Development bij ASML, kan dat alleen maar beamen. ’Aanvankelijk was metrologie een soort interne aangelegenheid, een manier om data te verzamelen waarmee we onze machines konden laten werken en ontwikkelen. Pas een jaar of twee geleden zijn we tot de conclusie gekomen dat we met metrologie ook meerwaarde kunnen bieden aan onze klanten.‘

Metrologie, zo legt Van Attekum uit, was vroeger iets dat helemaal buiten de machines van ASML gebeurde. ’Een chipmaker kon volstaan er bijvoorbeeld een wafer per uur uit te pikken en die bij wijze van spreken eens rustig aan een uitgebreide inspectie te onderwerpen. Dat gebeurde in zelfstandige machines, onafhankelijk van de scanners en de steppers.‘ Dat is tegenwoordig wel anders, nu de Moore-krimp zich richting de 32 nanometer begeeft. De marges waarbinnen gewerkt moet worden, zijn een stuk kleiner dan de generaties die daarvoor kwamen. ’We willen veel meer weten van de zojuist belichte wafers en we moeten dus razendsnel kunnen meten.‘

In de nieuwe generatie ASML-systemen zitten dan ook metrologische tools geïntegreerd. Deze werken op basis van scatterometry, waarbij met een laser op de wafer wordt geschenen en de reflectie ervan wordt opvangen. Uit deze meetresultaten wordt het oorspronkelijke periodieke patroon gereconstrueerd dat het licht verstrooide – en dat is dus precies wat ASML en zijn klanten willen weten. ’We willen kunnen garanderen dat we maken wat we beweren te maken‘, aldus Van Attekum. De kritieke parameters die met metrologie worden vastgesteld zijn de critical dimension (CD, de kleinste geometrische details) en de overlay, de mate waarbinnen het hele patroon van twee opeenvolgende belichtingen ten opzichte van elkaar verschoven mag zijn.

Wat een chipmaker echter over heeft voor al die informatie, verschilt van geval tot geval. ’Een Intel maakt relatief dure wafers door de complexiteit van zijn ontwerpen. Zo‘n partij is er daarom veel aan gelegen om de opbrengst zo hoog mogelijk te krijgen en te houden. Als daar een wat langere meettijd tegenover staat om alle gegevens boven te krijgen, dan is dat maar zo.‘ Een geheugenmaker is er daarentegen veel meer op gespitst om er zo veel mogelijk wafers per uur doorheen te jassen. Die moet niks hebben van langdurige metingen.

In deze voorstelling van zaken lijkt het misschien alsof ASML voor geheugen- en logicfabrikanten verschillende machines maakt. Dat is echter niet het geval, benadrukt Van Attekum. Sterker nog, hij ziet het er ook in de toekomst niet van komen. ’De ervaring leert dat chipmakers er altijd in slagen optimaal te profiteren van onze tools.‘ Op die manier is IC-metrologie verworden van een bedrijfseigen hulpmiddel om machines te maken tot een geïntegreerde feature die klanten zeer op prijs stellen. ’Ze hebben ons natuurlijk onder druk gezet om de steppers deze capability mee te geven.‘

Gaat ASML daarmee feitelijk de concurrentie aan met leveranciers van metrologische tools? ’Onbedoeld wel‘, zegt Van Attekum, ’maar we hebben geen keus.‘ Dat wil niet zeggen dat het niet interessant voor ASML zou zijn om de tools uit de machine te halen en ook los te leveren. Businessontwikkelaar Van Attekum wil dat zeker niet uitsluiten, maar hij ontkent met klem dat er concrete plannen bestaan om dat te doen. ’We hebben het in overweging. Binnen een of twee jaar kijken we wat we er nog meer mee gaan doen.‘

Vertragingen

Metrologie is niet alleen een lithografische aangelegenheid, zij speelt ook in andere IC-processtappen een belangrijke rol. ’Als er een film is gedeponeerd op de wafer, wil je weten hoe dik en uniform hij is‘, vertelt principal scientist Marc Schaekers van Imec. ’Dat neemt op dit moment nog niet de vorm van in-situ metrologie, zoals dat bij ASML het geval is. Het is nu nog meer een offline bezigheid, maar er is wel een trend in die richting. Zo is het in opkomst bij toestellen waarbij het moeilijk is om een stabiele output te krijgen, bijvoorbeeld bij het polijsten van wafers.‘

Als onderzoeksconsortium heeft het Leuvense bedrijf zelf geen productielijn, maar juist bij de ontwikkeling van nieuwe IC-technologie of -processen is het essentieel om gegevens te verkrijgen over de bewerking of reeks bewerkingen die de wafers hebben ondergaan. ’Je moet je voorstellen dat we bijvoorbeeld een batch testwafers verwerken en daarbij goed in de gaten willen houden wat er allemaal gebeurt.‘

Daarom heeft Imec een keur aan metrologische toestellen staan. In januari van dit jaar werd bekend dat de Leuvenaren het Britse Metryx in de arm nemen om massametrologische applicaties en tools te ontwikkelen voor sub-32-nanometerchipproductie. Met deze techniek wordt de massaverandering gemeten van een ets- of depositiestap. Bij geavanceerde CMos-processen is dan al gauw een precisie nodig die overeenkomt met een enkele atoomlaag. ’Deze methode onderscheidt zich vooral door zijn snelheid. Daar staat dan weer tegenover dat de informatie die je krijgt een gemiddelde is.‘

Om meer gelokaliseerde metingen te doen, zijn er verschillende optische meetmethoden voorhanden. ’Ellipsometrie is een zeer nauwkeurige manier om een laag te karakteriseren. Daarbij wordt uit de polarisatierichting van het gereflecteerde licht informatie ingewonnen.‘ Dat kan de dikte zijn, maar eventueel de morfologie of samenstelling. ’Het nadeel is dat de nauwkeurigheid samenhangt met een van tevoren opgesteld model. Als je een afwijking meet, dan weet je niet direct wat er aan de hand is.‘

Een tweede optische methode is de interferometrie, waarbij een deel van het licht direct van de oppervlakte wordt gereflecteerd en een ander deel pas na dieper in de laag te zijn doorgedrongen. Uit de verschillende reflectiepaden ontstaat een interferentiepatroon waaruit de laagdikte te destilleren valt. ’Ook optische methoden hebben zo hun beperkingen. Niet-transparante materialen kun je er niet mee meten. Dan zijn er alternatieven op basis van elektrische weerstand, geluidsgolven of röntgenstraling.‘

Het mag dan ook geen verwondering wekken dat ook Schaekers vindt dat metrologie sterk in belang is toegenomen. ’Dat heeft niet alleen met de schaling te maken. Er is een grotere verscheidenheid aan materialen te vinden in chips. Neem bijvoorbeeld maar de hoge-k-metalen-gatetechnologie.‘ Om het gebruik van nieuwe stoffen in goede banen te leiden, heeft zich een hele industrie ontwikkeld. ’Je ziet dat de rol van metrologische-toolmakers is geëvolueerd. Vroeger liepen ze vaak achter op de CMos-industrie, waardoor daar ook vertragingen in de R&D ontstonden. Nu lopen ze vaak meer in gelijke tred.‘