Une nouvelle étude menée par des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) a découvert une source d'erreur dans une méthode d'étalonnage standard de l'industrie qui pourrait conduire les fabricants de puces à perdre un million de dollars ou plus en un seul cycle de fabrication. Le problème devrait devenir de plus en plus aigu à mesure que les fabricants de puces intègrent de plus en plus de fonctionnalités dans un espace de plus en plus petit.

L'erreur se produit lors de la mesure de très petits débits de mélanges de gaz exotiques. De petits flux de gaz se produisent lors du dépôt chimique en phase vapeur (CVD), un processus qui se produit à l'intérieur d'une chambre à vide lorsque des gaz ultra-raréfiés traversent une plaquette de silicium pour déposer un film solide. Le CVD est largement utilisé pour fabriquer de nombreux types de micropuces hautes performances contenant jusqu'à plusieurs milliards de transistors. Le CVD construit des structures 3-D complexes en déposant des couches successives d'atomes ou de molécules; certaines couches n'ont que quelques atomes d'épaisseur. Un processus complémentaire appelé gravure au plasma utilise également de petits flux de gaz exotiques pour produire de minuscules caractéristiques à la surface des matériaux semi-conducteurs en éliminant de petites quantités de silicium.

La quantité exacte de gaz injecté dans la chambre est d'une importance cruciale pour ces processus et est régulée par un dispositif appelé contrôleur de débit massique (MFC). Les MFC doivent être très précis pour garantir que les couches déposées ont les dimensions requises. L'impact potentiel est important car les copeaux avec des profondeurs de couche incorrectes doivent être jetés.

"Les imprécisions de flux entraînent des non-uniformités dans les caractéristiques critiques des plaquettes, causant directement une baisse de rendement, " a déclaré Mohamed Saleem, Directeur de la technologie chez Brooks Instrument, une entreprise américaine qui fabrique des MFC parmi d'autres appareils de mesure de précision. « En tenant compte du coût de fonctionnement des salles blanches, la perte sur un lot de plaquettes mis au rebut en raison d'irrégularités de flux peut tourner autour de 500 $, 000 à 1 $, 000, 000. Ajoutez à ce coût le temps d'arrêt de l'outil de traitement requis pour le dépannage, et cela devient prohibitif."

Les installations modernes de nanofabrication coûtent plusieurs milliards de dollars chacune, et il n'est généralement pas rentable pour une entreprise d'affiner constamment la gravure CVD et plasma. Au lieu, les installations reposent sur des débits de gaz précis contrôlés par des MFC. Typiquement, Les MFC sont calibrés selon la méthode du "rate of rise" (RoR), qui effectue une série de mesures de pression et de température au fil du temps alors que le gaz remplit un réservoir de collecte à travers le MFC.

« Des inquiétudes concernant la précision de cette technique ont récemment attiré notre attention lorsqu'un grand fabricant d'équipements de fabrication de puces a constaté qu'il obtenait des résultats incohérents pour le débit de ses instruments lorsqu'ils étaient calibrés sur différents systèmes RoR. " a déclaré John Wright du groupe de métrologie des fluides du NIST, dont les membres ont effectué l'analyse des erreurs.

Wright était particulièrement intéressé parce que pendant de nombreuses années, il avait constaté que les lectures du RoR n'étaient pas d'accord avec les résultats obtenus avec le système pression/volume/température/temps « étalon-or » du NIST. Lui et ses collègues ont développé un modèle mathématique du processus RoR et mené des expériences détaillées. La conclusion :les mesures de débit RoR conventionnelles peuvent comporter des erreurs importantes en raison de valeurs de température erronées. "Le gaz est réchauffé par un travail d'écoulement au fur et à mesure qu'il est comprimé dans le réservoir de collecte, mais ce n'est pas facile à expliquer :il est difficile de mesurer la température d'un gaz presque stationnaire."

Wright et ses collègues ont découvert que sans correction de ces erreurs de température, Les lectures du RoR peuvent être décalées jusqu'à 1 %, et peut-être beaucoup plus. Cela peut ne pas sembler beaucoup, mais une faible incertitude est essentielle pour atteindre l'uniformité et la qualité du processus de fabrication des puces. Et le défi grandit. Les débits bas de gamme actuels dans l'industrie des semi-conducteurs sont de l'ordre d'un centimètre cube standard (1 sccm) - environ le volume d'un morceau de sucre - par minute, mais ils vont bientôt rétrécir d'un facteur 10 à 0,1 sccm.