Могут ли квантовые датчики улучшить метрологию в реальном времени на заводах?

Квантовое зондирование, многообещающая новая технология для производства полупроводников, может использоваться в качестве метрологического инструмента для обнаружения неисправностей в трехмерных и гетерогенных архитектурах, а также для измерения компонентов на заднем конце линии, где многие другие инструменты не могут проникнуть сквозь металлы.

Основанная в ноябре 2022 года как ответвление Мюнхенского технического университета, компания Quantum Diamonds разрабатывает и производит квантовые датчики. Изначально компания сосредоточилась на трех отраслях: биологических науках, химии и производстве полупроводников. Но с тех пор Quantum Diamonds сузила свое внимание до рынка тестирования полупроводников, где руководство компании считает, что у нее есть уникальный подход к решению некоторых проблем, признанных практически всеми игроками в отрасли. Возможности огромны, если компания предоставит готовую для отрасли технологию.

Основным компонентом является синтетический алмаз, который содержит сотни миллиардов крошечных дефектов, называемых центрами азотных вакансий, которые имеют спин. Направьте зеленый лазер через линзу микроскопа на синтетический алмаз, возбуждая эти спины и заставляя алмаз излучать красный свет, который улавливается камерой.

Интенсивность света зависит от силы магнитных полей, которым подвергается алмаз. Поскольку магнитные поля генерируются токами в чипе, природу этих токов можно вывести из данных, собранных из света. Вычислительное моделирование и машинное обучение используются для создания 3D-карт магнитных полей для обнаружения дефектов в уложенных слоях полупроводника. Машинное обучение повышает как точность, так и скорость отображения токов через несколько слоев и выявления дефектов. Чем ближе алмаз можно переместить к интересующей области, тем выше становится разрешение. В идеальных условиях оно может опускаться до нанометрового диапазона.

«В работающем чипе распределение тока равномерное, тогда как в неисправном чипе пики плотности тока указывают на обрывы, короткие замыкания или дефекты материала, которые требуют исследования», — сказал Кевин Бергхофф, соучредитель и генеральный директор Quantum Diamonds. «Физика, лежащая в основе, очень сложна, но результат прост. Это позволяет проводить неразрушающие исследования сложных структур чипов в оптическом подходе. Кроме того, сбор данных камерой происходит чрезвычайно быстро, и вы получаете не только структурную информацию, но и прямую информацию о течении тока».

Результаты измерений основаны на измерениях квантового зондирования. В то время как оптические измерения не могут идентифицировать дефекты в более глубоких слоях, карты плотности тока, считываемые квантовыми датчиками, могут неразрушающим образом обнаруживать дефекты. (Источник: Quantum Diamonds)

Семь из 10 крупнейших полупроводниковых компаний отправили чипы в мюнхенские лаборатории Quantum Diamonds для тестирования, сказал Бергхофф. Хотя стартап планирует в конечном итоге разработать аналитический слой, который интерпретирует результаты для дальнейшего понимания природы отказа, на данный момент он отправляет свои измерения магнитного поля обратно производителям полупроводников, где инженеры по анализу отказов делают собственные выводы.

Левое изображение: квантово-чувствительный микроскоп для анализа отказов; Правое изображение: данные магнитного поля, наложенные на изображения, полученные с помощью обычного микроскопа. (Источник: Quantum Diamonds)

Текущая бизнес-модель заключается в продаже устройств лабораториям для использования в НИОКР и обслуживании клиентов — инженеры-конструкторы могут использовать их для проверки конструкций, а команды послепродажного обслуживания — для изоляции неисправностей в возвращенных компонентах. Но большие возможности появятся, когда устройства можно будет интегрировать с производственными линиями для измерения компонентов во время производства.

«Очень сложно делать визуализацию между слоями с использованием современных методов метрологии», — сказал Флеминг Брукмейер, технический директор и соучредитель Quantum Diamonds. «Большинство современных методов метрологии могут визуализировать верхний слой, но не ниже него. Эта технология имеет потенциал для исследования нижних слоев и поиска неисправностей глубоко в стеке чипа перед окончательной упаковкой».

Основатель Quantum Diamonds доктор Флеминг Брукмайер (слева) оптимизировал квантовые датчики для своей докторской диссертации в Мюнхенском техническом университете и выделил технологию совместно с генеральным директором Кевином Бергхоффом (справа). (Источник: Quantum Diamonds)

Метрологические инструменты, используемые в производстве полупроводников, должны быть неразрушающими и встроенными, то есть они не должны требовать выключения и повторного включения компонентов после измерения. Более того, измерения должны быть очень быстрыми — около одной минуты — чтобы избежать узких мест. Именно в этом последнем пункте Quantum Diamonds необходимо внести значительные улучшения.

Подготовка к большой возможности

Прежде чем устройства Quantum Diamonds можно будет использовать для встроенной метрологии, время процесса измерения должно быть значительно сокращено. В зависимости от размера и плотности компонентов на чипе, в настоящее время это занимает около 10 минут.

«Самым большим узким местом является объем данных, которые необходимо проанализировать», — сказал Бергхофф. «В настоящее время сбор всех данных занимает много времени. Мы используем основанные на физике модели машинного обучения для определения областей интереса. Если мы теперь сосредоточимся только на этих точках, мы сможем сократить объем данных, которые необходимо собрать, передать и проанализировать. Это всего лишь один пример того, как мы планируем ускорить процесс».

Quantum Diamonds сотрудничает с другими организациями, чтобы помочь подготовить устройства для промышленного использования в этом процессе, и рассчитывает доставить первое устройство в Fraunhofer в декабре 2024 года и в испытательные лаборатории на Тайване и в США в начале 2025 года. Цель состоит в том, чтобы сократить время измерения до менее чем минуты, чтобы продемонстрировать возможность контролировать качество сложных архитектур в режиме реального времени в этом процессе.

«Одна из проблем заключается в том, что размеры элементов постоянно уменьшаются, что увеличивает плотность и сложность того, что вы измеряете», — сказал Питер Рейниг, старший научный сотрудник Института фотонных микросистем им. Фраунгофера.

Петер Рейниг, старший научный сотрудник Института фотонных микросистем Фраунгофера (Источник: Fraunhofer IPMS)

«Конечно, есть несколько метрологических подходов, которые уже используются для измерения структурированных пластин в полевых условиях», — добавил он. «К ним относятся CD-SEM [сканирующие электронные микроскопы критических размеров], инструменты, которые используют рефлектометрию, контактные методы, такие как AFM [атомно-силовая микроскопия], методы рентгеновского сканирования и акустическая микроскопия. Но они в основном используются для передней части линии, и у них есть ограничения для приложений на задней части». Задняя часть линии более сложная, сказал Рейниг, потому что к тому времени, как компонент достигает этой точки, добавляются различные металлические слои, которые блокируют свет, не давая некоторым метрологическим инструментам выполнять измерения, особенно тем, которые основаны на оптике. «Используя квантовые датчики на основе алмаза, вы можете картировать пластину неразрушающим способом, а также преодолеть это ограничение, связанное с тем, что металлические слои мешают измерению», — сказал он. И это не только задняя часть линии, где метрологии нужны новые подходы — 3D и гетерогенные архитектуры еще более сложны. Когда чипы укладываются друг на друга, инструменты должны смотреть глубже. «Quantum Diamonds, по крайней мере, заявляет, что может исследовать до 100 микрон внутри структуры пластины, что довольно глубоко», — сказал Рейниг. «Мы проверим это заявление на нашей пилотной линии, чтобы выяснить это. Вот некоторые из причин, по которым мы, как фабрика по скринингу, работаем с Quantum Diamonds над разработкой тестового демонстратора. Следующий шаг — посмотреть, сможем ли мы превратить его в метрологический инструмент, который можно будет использовать в промышленности».