Estudio de caso: Una cámara de alta velocidad ayuda a superar los límites de la metrología de semiconductores
Nuevos experimentos de un instituto de investigación con sede en los Países Bajos dependen de la captura de imágenes de alta velocidad de Emergent para mitigar los desafíos de vibración en un novedoso concepto de metrología de superposición.
Para cumplir con la Ley de Moore —una piedra angular de la innovación que predice que la cantidad de transistores en un microchip se duplicará aproximadamente cada dos años— la industria de los semiconductores continúa luchando contra límites fundamentales. Centro de Investigación Avanzada en Nanolitografía (ARCNL) en Ámsterdam vive entre los desafíos científicos extremos que hacen que esta industria funcione.
En este mundo de fabricación de semiconductores, la más mínima vibración puede causar los mayores problemas, es decir, tener que desechar una oblea procesada que podría valer miles de dólares. En su afán por resolver los desafíos técnicos futuros en el área de fabricación de chips semiconductores, ARCNL ha desarrollado un método para superar las sensibilidades inherentes a los tipos de técnicas interferométricas que el fabricante de equipos necesitará para garantizar la precisión en la fabricación de chips.
Cumpliendo la promesa de la microscopía holográfica digital
A medida que los tamaños de los circuitos siguen reduciéndose, se ha demostrado que la microscopía holográfica digital (DHM) es una técnica de medición interferométrica prometedora para la metrología de superposición futura. La DHM se utilizaría para medir la precisión de la alineación de las capas de chips en obleas de semiconductores. Sin embargo, la técnica es inherentemente sensible a variaciones de fase no deseadas, lo que produce distorsión de la calidad de la imagen causada por vibraciones mecánicas y turbulencias del aire.
DHM funciona bien en un entorno de laboratorio, pero implementarlo en el mundo real es donde se complica, señala Tamar Cromwijk, investigadora de ARCNL y estudiante de doctorado en la Vrije Universiteit de Ámsterdam, y autora principal de un estudio. Artículo de investigación publicado en la edición del 7 de octubre de Optics Express. “En el mundo real, la precisión de los métodos interferométricos como DHM se ve afectada por las vibraciones”, afirma.
En un entorno de producción de alto rendimiento, una oblea semiconductora se mueve a velocidades que varían rápidamente en una herramienta de metrología, lo que genera grandes aceleraciones y eso causa las mayores preocupaciones por la vibración, explica Cromwijk.
“Es un gran desafío técnico que debemos resolver. Queremos ser lo más rápidos posible con la metrología, por lo que hay que empezar a medir mientras hay vibraciones mecánicas. Esa es la causa número uno”, afirma. Otras vibraciones, como las fluctuaciones de temperatura y el movimiento de los ventiladores, también contribuyen al problema. “Todo contribuye a una fluctuación de fase total que degrada la calidad de la medición, y eso es lo que estamos tratando de mitigar”.
Junto con el Consejo de Investigación Holandés, la Universidad de Ámsterdam, la Vrije Universiteit y la Universidad de Groningen, ARCNL opera en asociación directa con un fabricante de equipos, que ve potencial en DHM si se pueden superar sus limitaciones.
La cámara de alta velocidad permite la corrección
Para corregir la pérdida de contraste creada por las vibraciones, los investigadores del ARCNL han ideado un método basado en la corrección computacional de alta velocidad del impacto de las vibraciones. Se utiliza una cámara de alta velocidad para capturar una secuencia de hologramas digitales para rastrear la vibración en función del tiempo. Al rastrear e interpolar los cambios de fase entre exposiciones, el sistema puede compensar la pérdida de contraste de la imagen en los hologramas. En última instancia, esto conduce a una mejor obtención de imágenes para mediciones de superposición más precisas.
“Si rastreamos esa fase a lo largo del tiempo, podemos corregirla después. Pero solo podemos rastrear lo que hacían las vibraciones si somos más rápidos que la propia vibración”, dice Cromwijk. “Por eso necesitamos la cámara de alta velocidad: para aislar y seguir el comportamiento de la fase de las vibraciones”.
Tanto en su configuración interferométrica experimental como en su configuración de mitigación de vibraciones en DHM, el equipo de investigación está utilizando un Cámara HZ-2000-GM de 100 gigabytes de Emergent Vision Technologies, que cuenta con un sensor de imagen CMOS Gpixel GSPRINT4502. A resolución completa (2048 x 1216 píxeles), la cámara alcanza 3462 fps en modo de 8 bits y 1782 fps en modo de 10 bits. Para este trabajo, los investigadores están haciendo funcionar la cámara a 1000 fps en modo de 10 bits.
La alta velocidad y la alta resolución de la cámara son fundamentales para esta experimentación, afirma Cromwijk. “Tenemos un sensor de 2.5 megapíxeles y la capacidad de leer toda esa información a una velocidad tan alta, algo que no todas las cámaras pueden hacer”, afirma. “Es la velocidad, la resolución de los píxeles pequeños y luego la capacidad de leer 250 fotogramas en un búfer, de modo que podamos medir durante un tiempo bastante largo”.
El tamaño compacto de la cámara de Emergent también es importante. El equipo de ARCNL estudió otras cámaras de alta velocidad, pero no solo eran muy caras, dice Cromwijk, sino que eran enormes. “No podemos colocarla en una placa de pruebas y nos gusta demostrar que nuestra solución es rentable sin sacrificar el rendimiento”.
Figura 1: En el laboratorio del Centro de Investigación Avanzada para Nanolitografía (ARCNL), los investigadores utilizan una cámara de alta velocidad para rastrear y corregir las variaciones de fase causadas por vibraciones mecánicas durante la microscopía holográfica digital (DHM).
La configuración de DHM
Los investigadores del ARCNL verificaron por primera vez el concepto de su técnica de mitigación de vibraciones en una sencilla configuración de interferómetro de Michelson. En este proceso, la luz de una fuente de luz blanca supercontinua se filtra mediante un filtro acústico-óptico sintonizable (AOTF) para obtener la longitud de onda deseada. Con un divisor de haz 50:50, el haz de 632 nm se divide en un haz de iluminación hacia un espejo y un haz de referencia hacia otro espejo. Al colocar el primer espejo en un ángulo pequeño se crea un patrón de franjas denso, similar a un patrón de franjas en la holografía fuera del eje. Más allá del divisor de haz, una lente toma imágenes de las superficies del espejo en la cámara de alta velocidad. El equipo controla las longitudes de las trayectorias ópticas moviendo el primer espejo, donde también agregan una pila piezoeléctrica para crear vibración.
Después de esa verificación inicial, ARCNL realizó una medición de superposición utilizando un DHM de campo oscuro fuera del eje en objetivos de prueba dedicados. En una configuración similar, el DHM utiliza una fuente de luz blanca supercontinua acoplada a fibra que se filtra espectralmente mediante un AOTF a una longitud de onda de 632 nm con un ancho de banda de 3 nm. En este caso, la intensidad del haz se divide utilizando un divisor de haz 90:10 para crear un haz de iluminación y uno de referencia, respectivamente. Se utiliza un divisor de haz no polarizante 50:50 en ambas trayectorias para la adquisición paralela de los órdenes de difracción +1 y -1.
Finalmente, se captura una secuencia de hologramas con la cámara de alta velocidad Emergent. Cada holograma genera una fase recuperada, que luego se interpola para recuperar la variación de fase continua, que luego se utiliza para calcular la pérdida de contraste.
Además de su velocidad y tamaño compacto, el HZ-2000-GM Integra la tecnología GPUDirect, que permite transferir los datos capturados directamente a la GPU para su procesamiento en tiempo real. Esta capacidad reduce significativamente la latencia y maximiza la eficiencia del manejo de datos, lo cual es fundamental para las grandes cantidades de datos que genera la cámara.
Figura 2: La configuración incluye una fuente de luz blanca supercontinua, un filtro sintonizable acústico-óptico (AOTF) para la selección de la longitud de onda, un divisor de haz 50:50 para dividir el haz y un generador de forma de onda para controlar las vibraciones a través de una pila piezoeléctrica para mediciones interferométricas.
Avanzando con capacidades de imágenes avanzadas
Un experimento de estas características no habría sido posible sin el avance de la tecnología de las cámaras en los últimos años. “Esto es algo que no era posible hace diez años, y eso se debe a la cantidad de datos que podemos leer de la cámara”, afirma Cromwijk. “Por ejemplo, hace diez años podríamos haber hecho lo mismo con una línea, pero ahora podemos tener el campo completo de imágenes”.
El concepto experimental está diseñado no solo para la resolución necesaria para los circuitos cada vez más pequeños de los semiconductores del futuro, sino también para un rango de longitud de onda más amplio para observar múltiples colores al mismo tiempo. El tercer objetivo son los objetivos débiles, explica Cromwijk. “Si tienes, por ejemplo, una capa opaca en el medio, donde la dispersión de la rejilla de abajo es muy débil, con esta técnica holográfica, puedes poner más luz en tu haz de referencia y, básicamente, amplificar toda tu señal”, dice.
Tras destacar el éxito de los experimentos iniciales para lograr una metrología de superposición más precisa, los investigadores también señalan otras mejoras que podrían realizarse en la tecnología. Mientras Emergent continúa mejorando sus capacidades, Cromwijk se mantiene en contacto con el proveedor de cámaras para mantenerse al tanto de los avances en cuanto a velocidad de cuadros, tamaño de píxeles, profundidad de bits y más. Si bien 100 GigE es el foco ahora, Emergent está lejos de haber terminado. Estén atentos para conocer más avances innovadores en 2025.
Para conocer todos los detalles de los experimentos y resultados, Lea el artículo de investigación de ARCNL.
PARA MAYOR INFORMACIÓN:
Cámaras de alta velocidad de Emergent Vision Technologies:
https://emergentvisiontec.com/area-scan-cameras/
