ケーススタディ: 高速カメラが半導体計測の限界を押し上げる
オランダに拠点を置く研究機関による新しい実験では、新しいオーバーレイ計測コンセプトにおける振動の課題を軽減するために、Emergent の高速画像キャプチャを活用しています。
ムーアの法則（マイクロチップ上のトランジスタの数が約2年ごとに倍増すると予測するイノベーションの礎）に追いつくために、半導体業界は根本的な限界に挑戦し続けています。これが、 ナノリソグラフィー先端研究センター アムステルダムの国立研究所 (ARCNL) は、この業界を動かす極めて厳しい科学的課題に直面しています。
半導体製造の世界では、ごく小さな振動でも大きな問題を引き起こす可能性があります。つまり、数千ドルの価値がある加工済みのウェハを廃棄しなければならないということです。ARCNL は、半導体チップ製造の分野における将来の技術的課題を解決するために、チップ製造の精度を確保するために装置メーカーが必要とする干渉技術に固有の感度を克服する方法を開発しました。
デジタルホログラフィック顕微鏡の実現
回路サイズが縮小し続ける中、デジタル ホログラフィック顕微鏡 (DHM) は、将来のオーバーレイ計測における有望な干渉計測技術であることが証明されています。DHM は、半導体ウェーハ上のチップ層の位置合わせの精度を測定するために使用されます。ただし、この技術は、望ましくない位相変動に本質的に敏感であり、機械的な振動や空気の乱れによって画像品質が歪む原因となります。
DHMは研究室環境ではうまく機能しますが、現実の世界でそれを実装するのは難しいと、ARCNLの研究者でありアムステルダム自由大学の博士課程の学生で、論文の主執筆者であるタマー・クロムワイク氏は指摘します。 この研究論文はOptics Express誌7月XNUMX日号に掲載されました。 「現実の世界では、DHM のような干渉法の精度は振動の影響を受けます」と彼女は言います。
高スループットの生産環境では、半導体ウェハーが計測ツール内で急速に変化する速度で移動し、大きな加速度が生じ、それが振動に対する最大の懸念を引き起こすと Cromwijk 氏は説明します。
「これは私たちが解決しなければならない大きな技術的課題です。計測をできるだけ迅速に行いたいので、機械的な振動がある状態で計測を開始する必要があります。これが第一の原因です」と彼女は言います。温度変動やファンの動きなどの他の振動も問題の一因となります。「これらすべてが全体の位相変動に寄与し、計測品質を低下させます。私たちはそれを軽減しようとしています。」
ARCNL は、オランダ研究会議、アムステルダム大学、自由大学、フローニンゲン大学とともに、機器メーカーと直接提携して運営しており、DHM の限界を克服できればその可能性を見出しています。
高速カメラで補正が可能
振動によって生じるコントラスト損失を補正するために、ARCNL の研究者は、振動の影響を高速計算で補正する手法を考案しました。高速カメラを使用してデジタル ホログラムのシーケンスをキャプチャし、時間の関数として振動を追跡します。露出間の位相変化を追跡して補間することで、システムはホログラムの画像コントラスト損失を補正できます。最終的には、これにより画像が改善され、より正確なオーバーレイ測定が可能になります。
「その位相を時間とともに追跡すれば、後で修正することができます。しかし、振動自体よりも速い速度でなければ、振動が何をしていたのか追跡することはできません」とクロムウェイク氏は言う。「そのため、振動の位相の挙動を分離して追跡するために高速カメラが必要なのです。」
研究チームは、実験的な干渉計のセットアップとDHMの振動緩和セットアップの両方で、 HZ-2000-GM 100GigE カメラ このカメラは、Gpixel GSPRINT4502 CMOS イメージセンサーを搭載した Emergent Vision Technologies 社製です。フル解像度 (2048 x 1216 ピクセル) では、3462 ビット モードで 8fps、1782 ビット モードで 10fps を実現します。この研究では、研究者は 1000 ビット モードで 10fps でカメラを動作させています。
クロムウェイク氏は、この実験ではカメラの高速性と高解像度の両方が重要だと言います。「2.5 メガピクセルのセンサーを搭載しており、これだけの情報を高速で読み取る能力は、どのカメラでもできるものではありません」と彼女は言います。「重要なのは、速度、小さなピクセルからの解像度、そして 250 つのバッファーで XNUMX フレームを読み出す能力です。これにより、かなり長い時間にわたって測定できます。」
エマージェントのカメラのコンパクトなサイズも重要です。ARCNL チームは他の高速カメラも検討しましたが、非常に高価なだけでなく、サイズも大きかったとクロムウィック氏は言います。「ブレッドボードに載せることはできません。私たちのソリューションは、性能を犠牲にすることなくコスト効率が良いことを実証したいのです。」
図 1: ナノリソグラフィー先端研究センター (ARCNL) の研究室では、研究者が高速カメラを使用して、デジタル ホログラフィック顕微鏡 (DHM) 中に機械的振動によって生じる位相の変化を追跡し、補正しています。
DHM のセットアップ
ARCNL の研究者は、まずシンプルなマイケルソン干渉計のセットアップで、振動緩和技術の概念を検証しました。このプロセスでは、スーパーコンティニューム白色光源からの光が音響光学チューナブルフィルター (AOTF) によってフィルタリングされ、目的の波長が得られます。50:50 ビームスプリッターを使用して、632 nm のビームが XNUMX つのミラーに向かう照明ビームと別のミラーに向かう参照ビームに分割されます。最初のミラーを小さな角度に配置すると、オフ アクシス ホログラフィーの干渉縞パターンに似た、密な干渉縞パターンが作成されます。ビームスプリッターの先で、レンズがミラー表面を高速カメラに映します。チームは最初のミラーを動かすことで光路長を制御し、振動を発生させるために圧電スタックも追加します。
初期検証の後、ARCNL は専用のテスト ターゲットで暗視野オフ アクシス DHM を使用してオーバーレイ測定を実行しました。同様のセットアップで、DHM はファイバー結合スーパーコンティニューム白色光源を使用し、AOTF によって 632 nm の帯域幅で 3 nm の波長にスペクトル フィルタリングされます。この場合、ビーム強度は 90:10 ビームスプリッターを使用して分割され、それぞれ照明ビームと参照ビームが作成されます。非偏光 50:50 ビームスプリッターは、+1 次と -1 次回折次数の並列取得のために両方のパスで使用されます。
最終的に、一連のホログラムが Emergent 高速カメラでキャプチャされます。各ホログラムから取得された位相が生成され、それが補間されて連続的な位相変化が取得され、コントラスト損失の計算に使用されます。
スピードとコンパクトなサイズに加え、 HZ-2000-GM GPUDirect テクノロジーを統合し、キャプチャしたデータを GPU に直接転送してリアルタイム処理できるようにします。この機能により、遅延が大幅に短縮され、データ処理の効率が最大化されます。これは、カメラによって生成される大量のデータにとって非常に重要です。
図 2: セットアップには、スーパーコンティニューム白色光源、波長選択用の音響光学チューナブル フィルター (AOTF)、ビームを分割する 50:50 ビームスプリッター、干渉測定用の圧電スタックを介して振動を制御する波形発生器が含まれています。
高度な画像処理機能で前進
このような実験は、過去数年間のカメラ技術の進歩がなければ実現できなかったでしょう。「これは 10 年前には不可能だったことです。カメラから読み取れるデータの量が多いからです」とクロムウェイク氏は言います。「たとえば、10 年前なら XNUMX 行で同じことができたかもしれませんが、今では画像の全領域を取得できます。」
この実験コンセプトは、未来の半導体のますます小型化する回路に必要な解像度だけでなく、複数の色を同時に見るためのより広い波長範囲も考慮して設計されている。3 つ目の目標は弱いターゲットだとクロムウェイク氏は説明する。「たとえば、中間に不透明な層があり、その下の格子からの散乱が非常に弱い場合、このホログラフィック技術を使用すると、参照ビームにより多くの光を入れることができ、基本的に信号全体を増幅できます」と彼女は言う。
研究者らは、より正確なオーバーレイ計測を実現する初期実験の成功に注目するとともに、この技術にさらなる改善の余地があることにも言及しています。Emergent が機能の改善を続ける中、Cromwijk はカメラ サプライヤーと連絡を取り合い、フレーム レート、ピクセル サイズ、ビット深度などの開発状況を把握しています。現在は 100GigE に注力していますが、Emergent の取り組みはまだまだ続きます。2025 年のさらなる画期的な開発にご期待ください。
実験と結果の詳細については、 ARCNL の研究記事を読んでください。
詳細については：
Emergent Vision Technologies の高速カメラ:
https://emergentvisiontec.com/area-scan-cameras/
