Ein Rasterelektronenmikroskop der ZEISS SMT

SMT Magazin

Ein Blick in die Zukunft der Prozesskontrolle in der Halbleiterproduktion

19. April 2022 4 Min. Lesedauer

Ohne Mikrochips läuft, spielt, fährt und fliegt so gut wie nichts mehr. Sie sind das Herz von Rechnern und Handys, von Servern und Maschinen. Mikrochips sind eine Voraussetzung für effiziente Produktionsverfahren, für innovative Medizintechnologie, für Autonomes Fahren oder auch für die Blockchain-Berechnung von Bitcoins – um nur einige wenige Beispiele zu nennen. Je leistungsfähiger die eingesetzten Halbleiter, desto effizienter unterstützen sie unsere Zukunft.

Diese Zukunft ist ohne ZEISS kaum noch denkbar: Unsere Produkte plus unsere Produktionsverfahren beflügeln den Fortschritt. Dazu zählen zum Beispiel die Halbleiterfertigungs-Optiken aus unserer strategischen Geschäftseinheit Semiconductor Manufacturing Optics (SMO), mit denen rund um den Globus extrem leistungsfähige und energieeffiziente Mikrochips hergestellt werden. Oder auch die ZEISS Prozesskontroll-Lösungen (PCS), die der Halbleiterindustrie einzigartige Analyse- und Messlösungen bieten.

Zwei Mitarbeiter der ZEISS SMT arbeiten am MultiSEM der Sparte Produktkontroll-Lösungen — Große Flächen in kurzer Zeit mit Nanometer-Auflösung abbilden – das schafft das ZEISS Hochleistungs-Multistrahl-Rasterelektronenmikroskop (multiSEM)

Für Mensch und Mikrochips

Das breite Hightech-Portfolio von ZEISS kommt nicht nur in der Chipproduktion, sondern auch in der medizinischen Forschung sowie in der Materialforschung zum Einsatz. Eine große Herausforderung in all diesen Bereichen ist, Strukturen im Nanometerbereich sicht- und messbar zu machen. Dazu reichen herkömmliche Rasterelektronenmikroskope oft nicht mehr aus. Diese erzielen zwar die erforderliche Auflösung, sind aber aufgrund des Rasterverfahrens im Durchsatz stark limitiert und können daher dem Produktionsfluss einer modernen Halbleiterfabrik nicht folgen.
Speziell um größere Flächen in kurzer Zeit mit Nanometer-Auflösung abbilden zu können, wurde das ZEISS Hochleistungs-Multistrahl-Rasterelektronenmikroskop (MultiSEM) geschaffen. Es eignet sich für die Untersuchung von biologischem Gewebe ebenso wie für die Inspektion der Oberflächen von Logik- und Speicherchips.
Nach Einlegen der Probe und Eingabe der Analyseparameter erfassen 61 oder 91 fokussierte Elektronenstrahlen den Untersuchungsbereich und bilden ihn hochauflösend und kontrastreich ab. Eine integrierte Analyse-Plattform unterstützt im nächsten Schritt die Bildauswertung durch künstliche Intelligenz.

Technologie von 3D-Tomograhpie — Mit der 3D Tomographie kann man Strukturen in 3D betrachten und analysieren

Eine moderne Fab braucht 3D Metrologie

Strukturen nicht nur in der Ebene, sondern auch in der dritten Dimension zu betrachten und zu analysieren, erlaubt die 3D Tomographie von PCS. Durch die stark zunehmende Verbreitung von 3D-Strukturen in der Halbleiterproduktion, insbesondere bei Speicherchips, und den damit verbundenen Herausforderungen bei der Herstellung der resultierenden komplexen Halbleiterstrukturen, steigt der Bedarf für derartige Analysefähigkeit momentan stark an. Neben einem Rasterelektronenmikroskop mit Nanometer-Auflösung nutzt die 3D Tomographie von ZEISS einen fokussierten Ionenstrahl, um Proben hochpräzise zu bearbeiten. Hierbei trägt der Ionenstrahl wie ein Skalpell nanometerdünne Schichten aus dem zu untersuchenden Material ab, die im nächsten Schritt mit dem SEM abgebildet werden. Anschließend kombiniert ZEISS Software die 2D-SEM-Abbildungen zu einem 3D-Modell, aus dem wiederum Messdaten in 3D erhoben werden können.

Durch das optimierte Zusammenspiel von hochauflösender Abbildung, präzise kontrollierten Schnitten und 3D Datenanalyse, erzeugt die 3D Tomographie von ZEISS umfangreichste Daten, aus denen sich einzigartig wichtige Prozesskontrollentscheidungen ableiten lassen. Aufgrund dieser optimierten Lösung ist ZEISS auch in der Lage, mit wenigen, gezielt ausgewählten Schnitten und Abbildungen kritische Prozessinformation in kurzer Zeit bereitzustellen. Dies befähigt die Produktionsingenieure in einer Halbleiterfabrik zeitnah wichtige Entscheidungen zu treffen, um Ausbeute und Leistungsfähigkeit der Chips in der Produktion zu steigern.

Strukturen mit NanoFab erkennbar — Mit ZEISS Prozesskontrolllösungen die Qualität kritischer Prozessschritte in der Halbleiterherstellung verbessern

Zeit ist Geld

Um gegen den Wettbewerb bestehen zu können und die hohen Investitionen in das Design von Chips zu nutzen, müssen Halbleiterhersteller ihre Produkte so schnell wie möglich an den Markt bringen. Dafür benötigen sie bereits zu Beginn des Anlaufs der Produktion funktionierende Chips, um zum Beispiel Leistungs- oder Lebensdauertests durchzuführen oder um ihren Kunden funktionsfähige Proben zur Verfügung stellen zu können, damit diese wiederum ihre Produkte fertig entwickeln und testen können.
Vorhandene Fehler im Chipdesign oder im Produktionsprozess müssen dafür zuverlässig beseitigt werden. So wichtig diese Fehlerbeseitigung für die Halbleiterhersteller ist, so anspruchsvoll ist diese Aufgabe aufgrund der sich immer weiter verkleinernden Strukturgrößen und der zunehmenden Verbreitung von 3D-Strukturen bei Mikrochips. Hier kommt die einzigartige Gasfeldionentechnologie (GFIS) von ZEISS als attraktive Lösung ins Spiel: Sie erlaubt eine höchst präzise Bearbeitung von Chips mittels feiner Helium- oder Neonionenstrahlen. Damit leistet ZEISS auch mit dieser Technologie einen großen Beitrag zur Markteinführung kommender Generationen von Halbleiterprodukten.

Eine Mitabreiterin arbeitet an wichtigen Technologien für die Halbleiterindustrie

Sie fehlen uns

Das klingt nach Forschung und Innovation? Richtig! ZEISS Prozesskontroll-Lösungen bewegen sich an Grenzen des derzeit technisch Machbaren; wobei wir diese Grenzen kontinuierlich ausweiten. Dazu brauchen wir noch mehr Pioniere, die mit uns weiter voranschreiten – Nanometer für Nanometer Richtung Zukunft.