Chips onder de microscoop

Het maken van computerchips is zo ingewikkeld dat de productiestappen steeds minutieuzer moeten worden gecontroleerd. ASML bouwt daarvoor elektronenmicroscopen die structuren van enkele atomen dik kunnen zien. Nearfield Instruments uit Rotterdam kan met atoomkrachtmicroscopie zelfs afzonderlijke atomen onderscheiden. ‘Gaat een etsstap op één punt verkeerd, dan kan een chip al onbruikbaar zijn.’

Wet van Moore

Het aantal transistoren op een chip volgt nog steeds de wet van Moore: het verdubbelt elke twee jaar. Aan dat steeds kleiner worden van de structuren zit wel een prijskaartje. Fabrikanten zijn steeds meer geld kwijt aan de apparatuur om die chips te maken. Zo kost de nieuwste machine van ASML voor het schrijven van de patronen op chips met extreem ultraviolet licht (EUV) meer dan 350 miljoen euro.

Met alleen een EUV-machine ben je er als chipfabrikant nog lang niet. Er is een hele batterij aan apparaten nodig, die ieder weer een ander soort bewerking moeten uitvoeren op de silicium schijven (wafers) met de chips erop. Nadat de ene machine een laagje materiaal heeft neergelegd, doet de volgende er de fotolak bovenop waarin de EUV-machine een patroon kan schrijven. Andere apparaten zorgen daarna voor bakken, ontwikkelen, etsen en nog andere bewerkingen. Waarna er weer een laagje wordt neergelegd en de hele cyclus opnieuw begint. En nogmaals en nogmaals, soms tot honderd keer toe. Bij elkaar duurt het maanden, maar zo ontstaan uiteindelijk de transistoren (schakelaartjes), stroomgeleiders en andere componenten van de chips.

Betere controles

Toch vormt al die maakapparatuur opvallend genoeg niet de snelst groeiende kostenpost in een moderne fabriek. ‘Een steeds groter deel van het geld gaat naar een ander soort machines, die de wafers tussen de productiestappen door moeten controleren’, zegt Maarten van Es, senior scientist bij TNO. De steeds kleiner wordende structuren maken namelijk ook steeds meer en betere controles nodig.

Marco Wieland, program system engineer bij ASML, legt dat uit: ‘Als een etsstap op één punt verkeerd is gegaan, waardoor één elektrisch contact niet is gemaakt, is een chip al onbruikbaar. Zonder tussentijdse inspectie wordt dat pas een maand later opgemerkt, wanneer de chip elektrisch wordt getest. Dan zijn alle productiestappen van die laatste maand voor niets geweest.’ Een fabriek vol peperdure apparatuur voor niets laten werken is iets dat de industrie zich niet kan veroorloven.

Rasterelektronenmicroscoop

De controle op zulke effecten moet in een veel vroeger stadium gebeuren. Bij hoogwaardige chips worden voor dergelijke inspecties speciale rasterelektronenmicroscopen ingezet (zie kader Elektronen kaatsen). Een van de leveranciers van deze zogenoemde e-beamtechnologie is sinds tien jaar het Nederlandse ASML. Het bedrijf in Veldhoven, wereldleider op het gebied van machines voor lithografie – het ‘schrijven’ van de patronen – lijfde toen de Californische e-beamspecialist Hermes Microvision Inc. (HMI) in.

Daarmee ging het enige bedrijf ter wereld dat de zeer gewilde EUV-apparatuur kon bouwen, er iets bij doen dat sommige andere bedrijven ook konden. Maar inspectie was te belangrijk geworden om aan anderen over te laten. 

Wieland: ‘Alles blijft kleiner worden, we kunnen inmiddels lijntjes van acht nanometer breed maken – in de orde van veertig atomen. De transistoren zelf worden ook nog steeds complexer. De marges voor fouten zijn zo klein geworden dat je alles zo goed wilt doen als maar mogelijk is. En dat kan alleen als de lithografie en de inspectie niet voor 99, maar voor 100 procent op elkaar aansluiten. Dat maakt het nodig dat ze van dezelfde fabrikant komen. Net als de software, die we ook zelf ontwikkelen.’

Steekproeven

De ASML-machines vinden afwijkingen door chips op dezelfde wafer met elkaar te vergelijken. Daarnaast kunnen ze met voltage contrast (zie kader Elektronen kaatsen) de elektrische verbindingen in een chip testen. De snelste machine, de HMI eScan 1100, heeft 25 meetkoppen – in feite allemaal afzonderlijke microscopen – die parallel werken. Omdat de doorvoersnelheid van de wafers hoog moet zijn, heeft de machine desondanks alleen tijd voor steekproeven: van elk chipoppervlak wordt een paar procent bekeken – waarin overigens altijd nog tientallen miljarden transistoren kunnen zitten.

‘Hoe groter de steekproef, hoe zekerder je van de chip kunt zijn. Chipfabrikanten vragen dan ook altijd om een groter percentage van het oppervlak’, zegt Wieland. Daarom werken e-beamfabrikanten altijd aan het volgende, nog snellere model.

ASML wil binnen afzienbare tijd een nieuwe generatie, de eScan 2200, presenteren met in Wielands woorden ‘veel meer meetkoppen’. Dat is gelijk de eerste generatie die snel genoeg is om de controle van wafers met voltage contrast niet alleen in speciale gevallen te doen, maar er een vast onderdeel van het productieproces van te maken.

Atoomkracht

Bij al deze verbeteringen blijft e-beam een duidelijke beperking houden: het beeld is net als een foto tweedimensionaal, waardoor fouten in de dikte van een laagje moeilijk zijn te zien. En, legt Van Es uit, die fouten beïnvloeden de warmte- en elektrische geleiding en de stijfheid van het laagje. Met het kleiner worden van de chipstructuren luisteren deze materiaaleigenschappen steeds nauwer. Van Es: ‘Als een laagje met een defect opwarmt en uitzet, kan er bijvoorbeeld te veel mechanische spanning ontstaan. Uiteindelijk gaat het dan een keer kapot.’

Vandaar dat Van Es met collega’s bij TNO werkt aan het toepassen van een andere waarnemingstechniek in de chipindustrie: atomic force microscopy (AFM) ofwel atoomkrachtmicroscopie. Die methode werkt met een extreem klein naaldje – bijvoorbeeld tien nanometer lang – dat op uiterst korte afstand over het te onderzoeken oppervlak wordt bewogen. Die afstand is zo klein dat de elektrische krachten van afzonderlijke atomen aan het oppervlak het naaldje omhoog en omlaag duwen.

Laserstraal

Het naaldje zit aan het eind van een silicium balkje van een paar micrometer lang, dat daarbij verbuigt. Die verbuiging wordt gemeten dankzij een op het balkje gerichte laserstraal, die dan in een wat andere richting weerkaatst. Op deze manier is in principe de positie van elk atoom vast te stellen. In de praktijk is de resolutie meestal wat lager, rond de één nanometer, zo’n vier atomen. Dat is vergelijkbaar met de resolutie van e-beam.

Van Es: ‘Omdat het naaldje de vorm van het oppervlak volgt, produceert AFM driedimensionale beelden en geeft ook het dikteprofiel van een laagje. Om een “voorbeeld te noemen, bij het bekijken van een transistor met AFM ontdekten we een keer een ‘hap’ uit de bovenrand, ontstaan door een fout in het etsproces. Met e-beam was dat gat niet zichtbaar.’ Een extra voordeel van AFM is het niet-destructieve karakter ervan, waar de elektronen van e-beam weleens een beschadiging kunnen veroorzaken.

Naaldjes

Van Es benadrukt dat beide technieken hun voors en tegens hebben. ‘Het grote voordeel van e-beam is de combinatie van een grote beeldscherpte met een hoge doorvoersnelheid, iets wat AFM niet gaat inhalen. Ook is het geschikt voor voltage contrast. Die dingen maken e-beam tot een onmisbaar fabrieksgereedschap. Ik denk wel dat AFM-apparaten daar steeds vaker ook bij zullen horen.’

Er zijn in de wereld twee startups gespecialiseerd in AFM-apparatuur voor chipfabrikanten. De ene is het Britse Infinitesima, de andere – en verst gevorderde van de twee – is het Rotterdamse Nearfield Instruments, een spin-out van TNO (zie kader Nearfield Instruments). Het was volgens Roland van Vliet, een van de twee oprichters van Nearfield, geen peulenschil om het AFM-principe geschikt te maken voor de chipindustrie – waar snelheid net zo belangrijk is als nauwkeurigheid. ‘

AFM’s zijn van huis uit apparaten voor onderzoekers in laboratoria, die soms weken bezig zijn met één meting. De naald hangt boven het monster aan een lange arm, die gaat trillen als hij bewegingen maakt. Dat werkt niet in een snelle machine. Daarom is er, nog bij TNO, voor gekozen het werkingsprincipe bijna letterlijk op z’n kop te zetten.’ 

Horizontale bewegingen

Op basis van het proof-of-concept van TNO – waarbij onder anderen Nearfields medeoprichter Hamed Sadeghian en Van Es betrokken waren – ontwikkelde Nearfield later zijn eerste industriële machine, de Quadra. De naam verwijst ernaar dat de machine niet een, maar vier naaldjes heeft, die parallel kunnen werken.

Elk naaldje is bevestigd in een meetkop die op een vloer onder de wafer ligt. Armen zijn er ook, maar die worden losgekoppeld nadat ze de koppen voor een meting op hun plaats hebben gelegd. De koppen blijven op hun plaats liggen, het is de wafer die dit keer de horizontale bewegingen voor de meting maakt.

Atomair niveau

Een arsenaal aan actieve trillingsdempers, in combinatie met een blok graniet op de bodem van de machine, smoort mogelijke vibraties in de kiem. Volgens Nearfield haalt de Quadra zo een meetresolutie op atomair niveau: 0,16 nanometer.

Bij al het fysieke vernuft is de grootste afdeling van het bedrijf niettemin die voor de software. Van Vliet: ‘We zijn steeds bezig de algoritmen te verbeteren, waarbij machine learning een belangrijke rol speelt. Zo is het belangrijk het pad tussen de meetpunten slim te kiezen, om het zo kort mogelijk te houden. Verder zijn er de control loops, regellussen die de werking van het apparaat binnen veilige grenzen houden. Als bijvoorbeeld een van de naaldjes te dicht bij een chipoppervlak dreigt te komen, moet zo’n regellus voor een zo efficiënt mogelijke correctie zorgen. En last but not least zijn er de algoritmen voor het verwerken van de grote stroom meetgegevens.’

Totale scan

De Quadra bemonstert slechts een deel van het oppervlak van een chip en uiteraard vragen de klanten altijd om meer. Van Vliet: ‘We hebben het afgelopen jaar hard gewerkt aan een nieuwe generatie, die standaard het complete oppervlak scant. Die machine met de naam ULSA (ultra-large scanning area) hebben we kort geleden aan chipfabrikanten gepresenteerd.’ 

Foto helemaal boven: Binnenkant van de Quadra-meetmachine van Nearfield Instruments met wafer, voordat de meetkoppen eronder worden geplaatst. Foto: Nearfield Instruments.