האתגרים שבמציאת פגמים על פרוסות סיליקון כתוצאה מהתפשטות תרמית

29ינו2015

בסוף שנות ה- 90, כשיצאה לשוק מכונת ה-SEMVision הראשונה לגילוי אוטמטי של פגמים על פרוסות סיליקון, גודל קריטי מינימלי של פגם (Defect) עמד על כמה מאות ננומטרים. כיום, עם המשך המיזעור של המעגלים החשמליים על שבבי הסיליקון, הגודל הקריטי כבר נושק ל-10 ננומטר! תהליך מיזעור זה מגדיל באופן משמעותי את האתגרים הניצבים בפני מכונת ה-SEM הנדרשת לגלות את אותם פגמים.

בליבה של מכונת ה- SEMVision נמצא תא וואקום ראשי, המכיל מערכת שינוע בשלושה צירים (XYZ Stage) ומיקרוסקופ אלקטרונים (SEM = Scanning Electrons Microscope):

  ​ ​

נצילות המנועים של ה-Stage אינה 100% ובנוסף קיים חיכוך בין הצירים. שני גורמים אלה מביאים לפליטה של אנרגיית חום, המעלה את טמפרטורת ה-Stage במספר מעלות. פרוסת הסיליקון (Wafer) נכנסת לתא הוואקום כאשר היא בטמפרטורת החדר וברגע נחיתתה על ה-Stage מתחיל למעשה תהליך של מעבר חום והשוואת טמפרטורות בין שני הגופים. התחממות ה-Wafer גורמת להתפשטות תרמית שלו, היכולה להגיע ליותר ממיקרון בקצה הפרוסה. בגלל סביבת הוואקום, התנגדות המגע בין ה-Wafer ל-Stage עולה באופן משמעותי, מה שגורם לתהליך מעבר החום וההתפשטות התרמית שלו להמשך דקות ארוכות. עקב כך, מיקום ה-Defects על פני ה- Wafer משתנה באופן רציף, בכל משך שהותו של ה-Wafer במכונה. שינוי מתמיד זה במיקום הפגמים, היכול כאמור להגיע עד למעלה ממיקרון, מקשה מאוד על מציאתם תחת ה-SEM.

עד לפני מספר שנים, כאשר הפגמים הקריטיים היו גדולים יותר, תופעה זו היתה זניחה, כיוון שחלון החיפוש תחת ה-SEM, ה-Search FOV (FOV = Field Of View), היה בגודל של מספר מקרונים. התכווצות הפגמים הקריטיים לגדלים של 10-20 ננומטר, דרשה הקטנה של רוחב/גובה חלון החיפוש לפחות ממיקרון. ניתן להבין שסחיפה מתמדת של ה-Defect ברמות של מאות ננומטרים ואף יותר, כפי שמתרחש בתהליך ההתפשטות התרמית, עלולה להביא ליציאתו מחוץ לחלון החיפוש ולאי גילוי שלו תחת ה- SEM. במקרים מסויימים, כאשר קצב ההתפשטות הוא גבוה, תיתכן אפילו פגיעה באיכות התמונה של ה-SEM:

הפתרונות לתופעה נעים בין פתרונות תוכנתיים/אלגוריתמיים לפתרונות חומרתיים.

בין הפתרונות התוכנתיים ניתן למצוא בניית מודל תיאורטי של התפשטות ה-Wafer ושיערוך השינוי במיקום ה- Defect  בכל רגע נתון. האתגר בפתרון זה הוא לבנות מודל שיתאים לפרוסות סיליקון שונות, בטווח טמפרטורות משתנה ובמכונות שונות.

הפתרונות החומרתיים כוללים בין היתר קירור אקטיבי של ה-Stage, על מנת לבטל את הפרש הטמפרטורות בינו לבין ה-Wafer ובכך למנוע את תופעת ההתפשטות התרמית. האתגר במקרה זה הוא רמת היציבות הגבוהה הנדרשת עבור טמפרטורת ה-Stage בכל רגע נתון.

לסיכום ניתן לומר כי תהליך המיזעור הבלתי נגמר בתעשיית המוליכים למחצה מעלה לפני השטח תופעות ננו-פיזיקליות שהיו זניחות עד לא מכבר ומגדיל את האתגרים העומדים בפני המערכות הנדרשות לייצר ולבקר את אותם שבבים בדיוק חסר תקדים.