Optica drijft Infinitesima’s atomaire sondemetrologiesysteem aan

Tijdens zijn doctoraat aan de Universiteit van Bristol bouwde Andrew Humphris scanning probe-microscopen, met als doel biologische structuren zoals RNA, DNA en eiwitten in beeld te brengen. Op nanometerschaal kunnen deze moleculen zeer snel veranderen. Daarom begon Humphris met de ontwikkeling van snelle atoomkrachtmicroscopen, systemen die in staat zijn om structuren in realtime vast te leggen – met videosnelheid, als het ware.

Dit trok de aandacht van collega-onderzoekers die zich ook voor dezelfde eigenschappen gingen interesseren. Het probleem: elk van hen had zijn of haar eigen wensenlijstje. ‘Sommigen vroegen me om speciale elektronica toe te voegen, anderen wilden speciale functies’, zegt Humphris, die nu cto is bij Infinitesima, het bedrijf dat zijn oorsprong vindt in zijn vroege onderzoek. Het bedrijf richtte zich oorspronkelijk op microscopie voor r&d en richt zich nu op AFM-metrologie voor halfgeleiderproductieomgevingen.

Humphris vertelt dat de oprichting van Infinitesima werd ingegeven door een aantal redenen. ’We ontwikkelden dozen met elektronica binnen het onderzoeksteam, maar de afdeling was het beu om ze te maken. De andere gedachte was: als we deze verbeteringen kunnen verkopen, moeten we een bedrijf beginnen.’

Natuurkunde en techniek

Hoewel Humphris op weg was naar een academische carrière, een onderzoeksbeurs had gekregen na zijn doctoraat in 2001, en op koers lag voor baan als docent in Bristol, vond hij de keuze voor een carrière in het bedrijfsleven niet zo moeilijk. ‘In het Verenigd Koninkrijk kan de onderwijslast voor een academicus hoog zijn, en mijn passie lag meer bij onderzoek dan bij lesgeven. Als ik geen natuurkunde had gestudeerd, had ik zeker voor de techniek gekozen. Het is leuk om iets meer dan een keer te doen en dat betrouwbaar en herhaaldelijk te doen.’

Drie jaar na de oprichting groeide het Infinitesima-team uit tot vijf medewerkers en betrok het in 2004 zijn eerste kantoor in Oxford. In de daaropvolgende jaren demonstreerden ze een model waarin een beeldvormende sonde nauw samenwerkt met een geïntegreerde interferometer. De daaropvolgende toevoeging van fotothermische aandrijving van de cantilever-tip met een laser versnelde de nanoschaalmetingen aanzienlijk. Tijdens deze beginjaren trok de technologie ook buiten de biologische sector de aandacht. Humphris: ‘Op een aantal conferenties kregen we veel belangstelling van semicon-onderzoekers.’

Vacuümcompatibel

Sommige partners van het eerste uur zagen het potentieel van de technologie en moedigden Infinitesima aan om RPM-modules te ontwikkelen die konden worden geïntegreerd in apparatuur voor de halfgeleiderindustrie. Daarom begon het Britse bedrijf met de ontwikkeling van vacuümcompatibele versies van de technologie. Een halfgeleiderfabrikant stelde Infinitesima voor aan Carl Zeiss. Er was behoefte aan een combinatie van de RPM-technologie bij de reparatie van toekomstige EUV-maskers. In samenwerking met de Zeiss-teams in Jena en Roßdorf (nabij Darmstadt) leidde dit tot de eerste RPM-levering op het Merit next Mask Repair-systeem van Carl Zeiss, en op deze manier werden de eerste zakelijke resultaten geboekt.

Enkele jaren later integreerde Hitachi de module in een geavanceerde SEM voor defectbeoordeling, die in 2018 werd geleverd aan ‘een toonaangevende logic-fabrikant’ in de VS.

Het integreren van modules voor hybride toepassingen in andere platforms is een behoorlijke technische uitdaging. Het is een nichemarkt, zeker op het gebied van maskers, en moeilijk op te schalen als bedrijf. Deze projecten boden echter de mogelijkheid om de kerntechnologie te ontwikkelen en te perfectioneren.

Tweedehands Nanometrics-platform

De focus op de halfgeleidermarkt nam geleidelijk toe. Een belangrijke stap was het bouwen van een demonstratieplatform op basis van een tweedehands Nanometrics-meetsysteem dat Infinitesima had aangeschaft. ‘We hebben onze snelle sondemicroscoop (RPM) gemonteerd en zijn begonnen met het testen van wafers’, zegt Humphris. ‘We waren echt afhankelijk van de vroege interesse en bereidheid van mensen om wafers op te sturen, en van hun interesse in de gegevens die we aan het verzamelen waren.’

Dit gaf ons zelfvertrouwen echt een boost. ‘Toen we de wafers binnen zagen komen en de interesse zagen, gaf dat ons het vertrouwen om te investeren in de bouw van een volledig systeem.’ Op dat moment was het team gegroeid tot ongeveer 25 medewerkers.

Procescontrole

Toen de huidige ceo Peter Jenkins in 2019 bij het bedrijf kwam, zag Infinitesima het potentieel van de technologie voor procescontrole in waferfabrieken. ‘Als we de technologie rechtstreeks in de halfgeleiderproductieomgeving zouden kunnen toepassen, zou dat ons een veel grotere markt opleveren’, zegt Jenkins, die in een apart interview meer uitleg geeft over zijn strategie en de AFM-metrologiemarkt.

Gelukkig kwam Jenkins net voor de uitbraak van covid aan boord bij Infinitesima. Samen met Humphris maakte hij van de gelegenheid gebruik om Intel, Samsung, TSMC en andere belangrijke spelers persoonlijk te bezoeken, om uit te leggen wat ze met hun Metron-systeem wilden bereiken en om feedback te krijgen van potentiële klanten. ‘Het was enorm nuttig om aanspreekpunten te hebben waarmee we konden praten voordat Taiwan en Korea in lockdown gingen. We konden ook beginnen met het versturen van wafers om onze technologie te bewijzen toen het Metron-systeem werd geïntroduceerd.’

Zo richtte Infinitesima zich in 2020 op de ontwikkeling van een eigen systeem dat 300 millimeter wafers kon verwerken. In maart 2023 leverde het bedrijf zijn eerste systeem aan een klant. ‘Er komt heel wat kijken bij het plaatsen van een machine in een waferfabriek, en ook bij de voorbereiding daarvan. Specifiek voor AFM is de omgeving in een fabriek behoorlijk agressief wat betreft geluid. AFM's zijn erg gevoelig voor alle trillingen dus moesten we snel een aantal iteraties uitvoeren om de akoestische isolatie te verbeteren en te begrijpen hoe de actieve voetstukken werken en bijdragen aan de stabiliteit van het systeem.’

600 kilohertz

De snelle sondemicroscoop van Infinitesima maakt gebruik van twee optische systemen aan de achterkant van de cantilever. Deze opstelling levert dubbele signalen die niet alleen de verticale positie vastleggen, maar ook elke verdraaiing van de cantilever detecteren die wordt veroorzaakt door interacties met de zijwanden van smalle structuren. Dit resulteert in een effectieve beschrijving van zijwandprofielen, waardoor complexe kenmerken nauwkeuriger worden weergegeven.

De cantilever wordt fotothermisch aangestuurd door infraroodlaserpulsen. Jenkins: ‘We werken momenteel op 600 kilohertz, terwijl je bij een piëzo-aandrijfsysteem vanwege mechanische beperkingen hooguit 60 kilohertz haalt. Daardoor kunnen we de cantilever tien keer sneller bedienen.’

Naadloos beelden aan elkaar plakken

Deze snelheid vormt ook de basis voor een superieure controle over het traject van de sonde. ‘Hierdoor is een snellere, veiligere afdaling mogelijk in diepe, smalle structuren die soms slechts 10 tot 20 nanometer breed zijn en wel 200 nanometer diep kunnen zijn’, aldus Jenkins. ‘We kunnen de diepte- en zijwandinformatie extraheren zonder de kwetsbare sonde te beschadigen.’

Het snelheidsvoordeel voor het samenvoegen van grote oppervlakken wordt ook mogelijk gemaakt door een groot gezichtsveld van 100 micron (dat van de Nederlandse concurrent Nearfield Instruments is 40 micron), waardoor er minder beelden nodig zijn bij het inspecteren van grote oppervlakken. Bovendien kan de RPM-technologie, dankzij een interferometersysteem dat niet alleen de sondepunt volgt, maar ook de X- en Y-posities met een hoge lineariteit over dit grote gebied, beelden naadloos aan elkaar plakken om hele chipgebieden te bestrijken.

De cantilevers met sondes worden vervaardigd in een MEMS-proces en zijn microns breed en microns lang. Door ze met een laser aan te sturen, wordt een veel hogere mechanische bandbreedte bereikt dan wanneer ze met een piëzo worden aangestuurd. ‘Met een tweede signaal van die laser kunnen we daadwerkelijk bepalen waar de sonde naartoe gaat, zodat we de sonde kunnen terugtrekken zonder dat deze in contact komt met elementen op het oppervlak die hem zouden kunnen beschadigen of waardoor hij veel langzamer zou gaan’, voegt Jenkins toe. ‘Dat geeft ons een snelheidsvoordeel op topografische structuren en verlengt de levensduur van de sonde. De combinatie van detectie en activering, en het interferometersignaal dat het oppervlak detecteert, maakt ons systeem tien keer sneller dan traditionele AFM-hardware.’

Multi-axiale profilering

Hoewel klanten officieel geen informatie rechtstreeks delen, concludeert Jenkins uit privégesprekken dat de systemen van Infinitesima minstens twee tot drie keer sneller zijn dan die van Nearfield in toepassingen zoals hybride waferbonding.

Een ander sterk punt van het RPM-systeem van Infinitesima is de mogelijkheid om hogesnelheidsprofilering uit te voeren die processtappen zoals chemisch-mechanisch polijsten (CMP) ondersteunt. Door gebruik te maken van het waferplatform om snel te bewegen en tegelijkertijd dichte datalijnen te verzamelen, kan het systeem afwijkingen over het hele waferoppervlak detecteren, met name aan de randen, waar vaak holtes ontstaan die een ernstige invloed kunnen hebben op de opbrengst. Jenkins merkt op dat klanten steeds vaker vragen om multi-axiale profilering rond de omtrek van de wafer om subtiele inconsistenties op te sporen die bij standaardbenaderingen mogelijk over het hoofd worden gezien.

Het systeem van Infinitesima blinkt ook uit in nauwkeurige navigatie en uitlijning, zegt Jenkins. Beide zijn cruciaal voor nauwkeurige metrologie in geavanceerde halfgeleiderprocessen. Dankzij het grote gezichtsveld van 100 micron en de offsetmogelijkheid op nanometerschaal kan het systeem de sonde zelf gebruiken om uit te lijnen op kleine kenmerken of uitlijningsmarkeringen, en vervolgens snel herpositioneren om specifieke kritieke structuren te meten. Deze aanpak zorgt ervoor dat zelfs gevoelige hotspots binnen een apparaat consistent worden gemeten.

Nearfield voegt snelheid toe door gebruik te maken van een configuratie met meerdere koppen, maar staat voor uitdagingen bij het synchroniseren van meerdere sondes om tegelijkertijd exact dezelfde kenmerken te vinden, zegt Jenkins. ‘Door te vertrouwen op één enkele sonde, vermijden we geometrische variaties tussen sondes, waardoor meetfouten worden verminderd en het totale proces wordt vereenvoudigd.’

TEM

Over het algemeen levert AFM een mate van metrologische detaillering die traditionele SEM- of e-beam-tools simpelweg niet kunnen evenaren. Hoewel SEM-beelden voornamelijk oppervlaktepatronen onthullen door middel van materiaalcontrast, ontbreekt het hen aan directe hoogte-informatie en vereisen ze vaak lage versnellingsspanningen om beschadiging van delicate resists te voorkomen, wat het contrast en de nauwkeurigheid verder vermindert.

Zonder AFM zouden fabrieken hun toevlucht moeten nemen tot tragere, omslachtigere methoden zoals TEM, die 24 uur per cyclus in beslag kunnen nemen en slechts beperkte gegevenspunten opleveren – wat nauwelijks praktisch is voor moderne massaproductie. Alle huidige alternatieven brengen doorgaans hogere kosten of grotere opbrengstrisico's met zich mee. ‘De vooruitgang op het gebied van halfgeleiders zou zonder AFM niet tot stilstand komen, maar zou waarschijnlijk langzamer, duurder en minder efficiënt zijn’, zegt Jenkins. Dit benadrukt waarom geavanceerde AFM-systemen steeds meer worden gezien als niet alleen verbeteringen, maar als essentiële hulpmiddelen om het tempo van de wet van Moore te handhaven.

Zie ook het interview met Peter Jenkins van Infinitesima op deze website, waarin hij zijn visie deelt en meer uitleg geeft over de strategie van Infinitesima.