Um novo estudo realizado por cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) descobriu uma fonte de erro em um método de calibração padrão da indústria que pode levar os fabricantes de microchip a perder um milhão de dólares ou mais em uma única execução de fabricação. Espera-se que o problema se torne cada vez mais agudo à medida que os fabricantes de chips embalam cada vez mais recursos em um espaço cada vez menor.

O erro ocorre ao medir fluxos muito pequenos de misturas de gases exóticos. Pequenos fluxos de gás ocorrem durante a deposição de vapor químico (CVD), um processo que ocorre dentro de uma câmara de vácuo quando gases ultra-rarefeitos fluem através de um wafer de silício para depositar um filme sólido. O CVD é amplamente usado para fabricar muitos tipos de microchips de alto desempenho contendo até vários bilhões de transistores. O CVD constrói estruturas 3-D complexas depositando camadas sucessivas de átomos ou moléculas; algumas camadas têm apenas alguns átomos de espessura. Um processo complementar denominado corrosão por plasma também usa pequenos fluxos de gases exóticos para produzir pequenos recursos na superfície de materiais semicondutores, removendo pequenas quantidades de silício.

A quantidade exata de gás injetado na câmara é extremamente importante para esses processos e é regulada por um dispositivo chamado controlador de fluxo de massa (MFC). Os MFCs devem ser altamente precisos para garantir que as camadas depositadas tenham as dimensões necessárias. O impacto potencial é grande porque os cavacos com profundidades de camada incorretas devem ser descartados.

"As imprecisões de fluxo causam não uniformidades em recursos críticos em wafers, causando diretamente a redução do rendimento, "disse Mohamed Saleem, Diretor de Tecnologia da Brooks Instrument, uma empresa norte-americana que fabrica MFCs, entre outros dispositivos de medição de precisão. "Levando em consideração o custo de funcionamento de salas limpas, a perda em um lote de wafers descartados devido a irregularidades no fluxo pode girar em torno de US $ 500, 000 a $ 1, 000, 000. Adicione a esse custo o tempo de inatividade da ferramenta de processo necessário para a solução de problemas, e se torna proibitivamente caro. "

As modernas instalações de nanofabricação custam vários bilhões de dólares cada, e geralmente não é econômico para uma empresa ajustar constantemente o CVD e a corrosão de plasma. Em vez de, as instalações contam com fluxos de gás precisos controlados por MFCs. Tipicamente, Os MFCs são calibrados usando o método de "taxa de aumento" (RoR), que faz uma série de medições de pressão e temperatura ao longo do tempo, à medida que o gás enche um tanque de coleta através do MFC.

"Preocupações sobre a precisão dessa técnica chamaram nossa atenção recentemente, quando um grande fabricante de equipamentos de fabricação de chips descobriu que estavam obtendo resultados inconsistentes para a taxa de fluxo de seus instrumentos quando eles foram calibrados em diferentes sistemas RoR, "disse John Wright do Grupo de Metrologia de Fluidos do NIST, cujos membros conduziram a análise de erro.

Wright estava particularmente interessado porque por muitos anos ele viu que as leituras de RoR não concordavam com os resultados obtidos com o sistema de pressão / volume / temperatura / tempo "padrão ouro" do NIST. Ele e seus colegas desenvolveram um modelo matemático do processo RoR e conduziram experimentos detalhados. A conclusão:as medições de fluxo RoR convencionais podem ter erros significativos devido a valores errôneos de temperatura. “O gás é aquecido por fluxo de trabalho à medida que é comprimido no tanque de coleta, mas isso não é facilmente explicado:é difícil medir a temperatura de um gás quase estacionário. "

Wright e colegas descobriram que, sem correções para esses erros de temperatura, As leituras de RoR podem estar erradas em até 1 por cento, e talvez consideravelmente mais. Isso pode não parecer muito, mas a baixa incerteza é crítica para obter uniformidade e qualidade no processo de fabricação de chips. E o desafio é crescente. As taxas de fluxo de baixa extremidade atuais na indústria de semicondutores estão na faixa de um centímetro cúbico padrão (1 sccm) - sobre o volume de um cubo de açúcar - por minuto, mas logo encolherão por um fator de 10 a 0,1 sccm.

A medição precisa do fluxo é uma preocupação particularmente séria para processos de manufatura que usam corrosão de camadas depositadas para formar recursos semelhantes a trincheiras. Nesse caso, o MFC geralmente fica aberto por não mais do que alguns segundos.

"Uma pequena variação na taxa de fluxo tem um efeito profundo na taxa de corrosão e nas dimensões críticas das estruturas" em circuitos integrados de grande escala, disse Iqbal Shareef da Lam Research, uma empresa com sede na Califórnia que fornece equipamentos de fabricação de precisão para fabricantes de microchips.

"Então, estamos extremamente preocupados com as taxas de fluxo sendo precisas e consistentes de câmara para câmara e wafer para wafer, "Shareef disse." Nossa indústria já está caminhando para taxas de fluxo muito pequenas. "

"Estamos falando sobre uniformidade do wafer hoje em escala nanométrica e até mesmo subnanométrica, "Shareef disse.

Isso é muito pequeno. Mas é o que a complexidade da fabricação de chips tridimensionais exige cada vez mais. Há não muito tempo atrás, "um circuito integrado 3-D usado para ter quatro camadas de metais, "disse William White, Diretor de Tecnologia Avançada da HORIBA Instruments Incorporated, uma empresa global que fornece sistemas analíticos e de medição. "Agora, as empresas estão regularmente indo para 32 camadas e às vezes para 64. Só neste ano ouvi falar de 128." E alguns desses chips têm até 3, 000 etapas do processo.

"Cada wafer de 300 mm pode custar até US $ 400, e contém 281 matrizes para um tamanho de matriz de 250 a 300 mm ² , "Brooks 'Saleem disse." Cada matriz nos circuitos integrados de alta tecnologia de hoje consiste em cerca de três a quatro bilhões de transistores. Cada wafer passa por 1 ou 2 meses de processamento, que inclui várias execuções de processos individuais separados, "incluindo a deposição de vapor químico, gravura, litografia e implantação iônica. Todos esses processos usam produtos químicos e gases caros.

Muitas empresas já estão reexaminando suas práticas à luz da publicação do NIST, que fornece explicações teóricas necessárias para a fonte de erros de medição de fluxo RoR. A teoria orienta os projetistas de tanques de coleta RoR e demonstra métodos de correção fáceis de aplicar. A teoria RoR mostra que ocorrerão diferentes erros de temperatura para os diferentes gases usados ​​nos processos CVD. A publicação do NIST também fornece uma análise de incerteza de modelo que outros podem usar para saber qual nível de concordância esperar entre MFCs calibrados em diferentes sistemas RoR.

"O NIST serve como uma referência confiável para conhecimento e medição onde a indústria pode avaliar a concordância entre seus sistemas, "Wright disse." Como as medições dos fabricantes precisam empurrar para fluxos cada vez mais baixos, o mesmo acontecerá com os padrões de calibração do NIST. "

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.