Un nuevo estudio realizado por científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha descubierto una fuente de error en un método de calibración estándar de la industria que podría llevar a los fabricantes de microchips a perder un millón de dólares o más en una sola ejecución de fabricación. Se espera que el problema se agudice progresivamente a medida que los fabricantes de chips empaqueten cada vez más funciones en un espacio cada vez más pequeño.

El error se produce al medir caudales muy pequeños de mezclas de gases exóticos. Se producen pequeños flujos de gas durante la deposición de vapor químico (CVD), un proceso que ocurre dentro de una cámara de vacío cuando los gases ultrarraificados fluyen a través de una oblea de silicio para depositar una película sólida. CVD se usa ampliamente para fabricar muchos tipos de microchips de alto rendimiento que contienen hasta varios miles de millones de transistores. La CVD construye estructuras tridimensionales complejas depositando capas sucesivas de átomos o moléculas; algunas capas tienen solo unos pocos átomos de espesor. Un proceso complementario llamado grabado con plasma también utiliza pequeños flujos de gases exóticos para producir pequeñas características en la superficie de los materiales semiconductores al eliminar pequeñas cantidades de silicio.

La cantidad exacta de gas inyectado en la cámara es de vital importancia para estos procesos y está regulada por un dispositivo llamado controlador de flujo másico (MFC). Los MFC deben ser muy precisos para garantizar que las capas depositadas tengan las dimensiones requeridas. El impacto potencial es grande porque las virutas con profundidades de capa incorrectas deben descartarse.

"Las imprecisiones de flujo causan falta de uniformidad en las características críticas de las obleas, causando directamente la reducción del rendimiento, "dijo Mohamed Saleem, Director de tecnología en Brooks Instrument, una empresa estadounidense que fabrica MFC entre otros dispositivos de medición de precisión. "Teniendo en cuenta el costo de funcionamiento de las salas blancas, la pérdida en un lote de obleas desechadas debido a irregularidades en el flujo puede costar alrededor de $ 500, 000 a $ 1, 000, 000. Agregue a ese costo el tiempo de inactividad de la herramienta de proceso requerido para la resolución de problemas, y se vuelve prohibitivamente caro ".

Las modernas instalaciones de nanofabricación cuestan varios miles de millones de dólares cada una, y por lo general no es rentable para una empresa ajustar constantemente el grabado con plasma y CVD. En lugar de, las instalaciones se basan en flujos de gas precisos controlados por MFC. Típicamente, Los MFC se calibran mediante el método de "tasa de aumento" (RoR), que realiza una serie de mediciones de presión y temperatura a lo largo del tiempo a medida que el gas llena un tanque de recolección a través del MFC.

"Las preocupaciones sobre la precisión de esa técnica nos llamaron la atención recientemente cuando un importante fabricante de equipos de fabricación de chips descubrió que obtenían resultados inconsistentes para la tasa de flujo de sus instrumentos cuando se calibraban en diferentes sistemas RoR. "dijo John Wright del Grupo de Metrología de Fluidos del NIST, cuyos miembros realizaron el análisis de errores.

Wright estaba particularmente interesado porque durante muchos años había visto que las lecturas de RoR no estaban de acuerdo con los resultados obtenidos con el sistema de presión / volumen / temperatura / tiempo "estándar de oro" del NIST. Él y sus colegas desarrollaron un modelo matemático del proceso RoR y realizaron experimentos detallados. La conclusión:las mediciones de flujo RoR convencionales pueden tener errores significativos debido a valores de temperatura erróneos. "El gas se calienta mediante trabajo de flujo a medida que se comprime en el tanque de recolección, pero eso no se explica fácilmente:es difícil medir la temperatura de un gas casi estacionario ".

Wright y sus colegas encontraron que sin correcciones para estos errores de temperatura, Las lecturas de RoR pueden estar desviadas hasta en un 1 por ciento, y quizás considerablemente más. Puede que no parezca mucho pero la baja incertidumbre es fundamental para lograr uniformidad y calidad en el proceso de fabricación de chips. Y el desafío va en aumento. Los caudales actuales de bajo nivel en la industria de los semiconductores están en el rango de un centímetro cúbico estándar (1 sccm), aproximadamente el volumen de un terrón de azúcar, por minuto, pero pronto se reducirán en un factor de 10 a 0,1 sccm.

La medición precisa del flujo es una preocupación particularmente seria para los procesos de fabricación que utilizan el grabado de capas depositadas para formar características similares a zanjas. En ese caso, el MFC suele estar abierto durante unos pocos segundos.

"Una pequeña variación en la tasa de flujo tiene un efecto profundo en la tasa de grabado y las dimensiones críticas de las estructuras" en circuitos integrados a muy gran escala, dijo Iqbal Shareef de Lam Research, una empresa con sede en California que proporciona equipos de fabricación de precisión a los fabricantes de microchips.

"Entonces, Estamos extremadamente preocupados por que las tasas de flujo sean precisas y consistentes de una cámara a otra y de una oblea a otra, ", Dijo Shareef." Nuestra industria ya se dirige hacia tasas de flujo muy pequeñas ".

"Estamos hablando de uniformidad de obleas hoy en la escala nanométrica e incluso subnanométrica, "Dijo Shareef.

Eso es muy pequeño. Pero es lo que demanda cada vez más la complejidad de la fabricación de chips tridimensionales. No hace tanto tiempo, "un circuito integrado 3-D que solía tener cuatro capas de metales, "dijo William White, Director de Tecnología Avanzada en HORIBA Instruments Incorporated, una firma global que proporciona sistemas analíticos y de medición. "Ahora, las empresas van regularmente a 32 capas y, a veces, a 64. Solo este año supe de 128". Y algunos de esos chips tienen hasta 3, 000 pasos de proceso.

"Cada oblea de 300 mm puede costar hasta $ 400, y contiene 281 matrices para un tamaño de matriz de 250 a 300 mm ² , ", Dijo Saleem de Brooks." Cada dado en los circuitos integrados de alta gama de hoy en día consta de alrededor de tres a cuatro mil millones de transistores. Cada oblea pasa por 1 o 2 meses de procesamiento que incluye múltiples ejecuciones de procesos individuales separados, "incluida la deposición química en fase de vapor, grabar al agua fuerte, litografía e implantación de iones. Todos esos procesos utilizan productos químicos y gases costosos.

Muchas empresas ya están reexaminando sus prácticas a la luz de la publicación del NIST, que proporciona las explicaciones teóricas necesarias para la fuente de errores de medición de flujo RoR. La teoría guía a los diseñadores de tanques de recolección RoR y demuestra métodos de corrección fáciles de aplicar. La teoría RoR muestra que se producirán diferentes errores de temperatura para los diferentes gases utilizados en los procesos CVD. La publicación del NIST también proporciona un análisis de incertidumbre del modelo que otros pueden usar para saber qué nivel de acuerdo esperar entre los MFC calibrados en diferentes sistemas RoR.

"NIST sirve como una referencia confiable para el conocimiento y la medición donde la industria puede evaluar la concordancia entre sus sistemas, ", Dijo Wright." A medida que las mediciones de los fabricantes deben impulsar flujos cada vez más bajos, también lo harán los estándares de calibración del NIST ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.