Аналитика и метрология

Аналитика и метрология

Аналитика и метрология являются важными элементами разработки инженерных, технологических процессов и продуктов. Они влияют на каждый аспект электронной промышленности, от проектирования до применения, от исследования материалов до полевых испытаний и от производства отдельных компонентов до их системной интеграции. Проведение исследований абсолютно необходимо, поскольку невозможно гарантировать надежность и работоспособность компонентов, если нет понимания потенциальных причин отказа и снижения качества и производительности. Проведение исследований в течение всего производственного цикла обеспечивает совершенствование конструкций изготавливаемых изделий, приводит к увеличению ее надежности и меньшему количеству отказов, а также сокращает время цикла разработки, поскольку источники сбоев, которые вызывают изменения в конструкции и производстве, выявляются на ранней стадии. Развитие и инвестирование в оборудование и персонал, проводящий исследования, позволяет снизить расходы на выпуск конечной продукции.


На заре разработки полупроводниковых устройств исследования в основном состояли из разрушающего физического анализа с использованием металлографических методов и оптической микроскопии. По мере того, как технологии микроэлектроники быстро развивались в сторону меньших размеров элементов и более высоких уровней интеграции, одновременно совершенствовались как методы, так и оборудование для проведения исследований интегральных схем. Текущий уровень развития методик и оборудования позволяет проводить исследования изделий, изготавливаемых с применением субмикронных технологий, включая сверхбольшие интегральные схемы.


Анализ, аналитика и метрология являются неотъемлемой частью любого производственного процесса. Все производители аналитического, технологического, исследовательского оборудования мирового уровня предлагают специально разработанные линейки и комплексы, включающие в себя как аппаратную составляющую, так и оказание услуг в области анализа отказов. Например, Thermo Fisher Scientific – американский производитель научного оборудования, реагентов, расходных материалов и программного обеспечения, являющийся одним из лидеров на мировом рынке (120-е место в списке крупнейших публичных компаний в мире по версии Forbes Global 2000 за 2022 г.). Порядка 25 % деятельности компании направлено на разработку и изготовления оборудования, применяемого для диагностики и анализа СБИС и их компонентов. К другим крупным игрокам рынка в данной области относятся такие компании как: Oxford Instruments, Semilab, Veeco Instruments, Leica Microsystems GmbH, HORIBA, Ltd., AandD Company, Ltd., Hitachi High-Technologies Corporation, Bruker, Eurofins Scientific, Carl Zeiss, JOEL, Ltd., TESCAN OSRAY HOLDING. Вместе эти компании формируют рынок в области диагностики и анализа СБИС объемом в многие миллиарды долларов США. Лидирующие позиции на рынке занимают 20 стран. К ним относятся: США, Германия, Великобритания, Франция, Италия, Испания, Китай, Япония, индия, Малайзия, Сингапур, Филиппины, Индонезия, Таиланд, Вьетнам, Бразилия, Мексика, ОАЭ, Турция, ЮАР. Наиболее востребованы на рынке следующее оборудование и методики: оптическая микроскопия, электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, ионная микроскопия и фокусированный ионный пучок, сканирующая зондовая и атомно силовая микроскопия, двулучевые растровые микроскопы, методики энергодисперсионного анализа и спектроскопии, масс-спектрометрия.


Компании и лаборатории, занимающиеся анализом отказов и вопросами надежности выпускаемой микроэлектронной продукции, функционируют во всех странах мира, занимающихся производством микроэлектроники, СБИС и их компонентов. Такие компании осуществляют свою деятельность как самостоятельно, так и в составе подразделений организаций, непосредственно занимающихся выпуском продукции.


Динамика изменения направлена на разработку и усовершенствование оборудования и инструментов для обеспечения возможности работы с образцами продукции, выпускаемой по самым современным технологическим нормам. Постоянное увеличение сложности и плотности упаковки разрабатываемых и выпускаемых СБИС заставляет участников рынка анализа и диагностики непрерывно инвестировать и проводить работы в области поиска новых путей решения и разработки соответствующей аппаратуры.


По состоянию на 2023 г. в РФ зарегистрировано более 650 центров коллективного пользования и более 400 уникальных научных установок. Более 30 % центров и их оборудования функционируют на базе высших учебных заведений. Большая часть из них направленна на технологические и естественнонаучные проекты и исследования.


Формирование ЦКП в России началось после 1990 г. основное направление первых ЦКП находилось в области естественных и технических наук. После 2005 г. первые ЦКП стали основой для формирования региональных кластеров будущей сети центров. Более 530 ЦКП функционируют на базе учреждений подведомственных Минобрнауки России. Также на их базе работают более 300 уникальных научных установок.


Минобрнауки России реализует комплекс мероприятий по развитию центров коллективного пользования. В 2022 г. в порядке конкурсного отбора предоставлялись гранты государственной программы РФ «Научно-технологическое развитие Российской Федерации» для уникальных научных установок на трехлетний период в объеме до 150 млн рублей на проект и для центров коллективного пользования на трехлетний период в объеме до 75 млн рублей на проект. В период 2014-2020 гг. развитие ЦКП и УНУ осуществлялось в рамках мероприятий федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы». Поддержку получили 11 уникальных научных установок на общую сумму около 940 млн рублей и 30 центров коллективного пользования на общую сумму около 3,9 млрд руб.


Однако, по данным каталога центров коллективного пользования научным оборудованием в России не существует ни одного ЦКП чья деятельность была бы направлена на исследования и разработки в области анализа и диагностики СБИС и их отдельных элементов.


Имеющиеся в России ЦКП, по большей части, оснащены широким спектром актуального исследовательского оборудования. Но поскольку их деятельность в основном направлена на решение широкого спектра аналитических, исследовательских и иных задач в области естественных наук, в этих центрах отсутствует возможность реализации комплексного подхода к решению задачи в области анализа и диагностики СБИС и их отдельных элементов. Именно комплексных подход к решению этой задачи позволит повысить качество и надежность выпускаемых СБИС.


В учреждении постоянно проводятся опытно-технологические работы по исследованию и разработке технологических процессов анализа и диагностике элементов СБИС. Разрабатываемые методики и подходы анализа и диагностики элементов СБИС позволяют обеспечить контроль качества и надежности на всех этапах разработки изделия, а также лучше понять электрофизические и структурные изменения материалов в процессе эксплуатации. Понятие механизмов, происходящих в материалах при эксплуатации элементов и изделий, позволит лучше прогнозировать возможные сбои и отказов в процессе эксплуатации, определить их причину и принять немедленные меры для их устранения.


Диагностика и анализ отказов позволяют выявить их причину на всех стадиях жизненного цикла изделия: на этапе производства, на этапе тестирования и проверки, а также в процессе эксплуатации. Помимо выявления причин отказов разрабатываемые комплексные подходы также позволяют выполнять различные химические и физические анализы для определения и контроля параметров, влияющих на конечные характеристики разрабатываемых изделий и надежность, начиная с начальных стадий производственного процесса изделия. Эта информация помогает определять необходимые условия проведения технологических процессов, разрабатывать и внедрять новые методы управления ими.


Разрабатываемые подходы реализуются с применением современных высокоточных и высокочувствительных аналитических приборов, позволяющих проводить исследования на субмикронном уровне. В процессе разработок задействуются современные аналитические и диагностические методы, так и разрабатываться новые, с использованием имеющегося мирового опыта, основанного на массиве знаний в области физики и химии, включая понимание самого изделия и принципов его работы.


Анализ отказов изделий позволяет получать ответы на следующие основные вопросы, а именно: Каковы симптомы неисправности. Когда, где и при каких обстоятельствах они появились? Повторяется ли сбой? Где расположен сбой и какое воздействие было в этом месте? Произошел ли такой же отказ в условиях эксплуатации? Можно ли предсказать вероятность отказа на основе модели отказа?


Разрабатываемые в учреждении технологические процессы, включающие методические и методологические подходы по анализу и диагностике элементов СБИС, обеспечат разработчиков конструктивно-технологических решений надежным инструментом контроля и анализа при создании полупроводниковых и иных изделий для технологий с проектными нормами 90 нм и лучше, и технологий кремний-на-изоляторе с проектными нормами 90 нм и 180 нм. Разрабатываемые решения и подходы анализа и диагностики СБИС после внедрения на производствах с нормами 180 нм и 90 нм, могут быть внедрены и на других микроэлектронных производствах с проектными нормами 2 мкм и менее. Внедрение методов контроля, анализа и диагностики позволят увеличить выпуск инновационной продукции и модернизировать существующие производства повысив их рентабельность. Разрабатываемые технологические процессы анализа и диагностики элементов СБИС, позволят российским производителям микроэлектроники получить доступ к актуальной и востребованной технологии мирового уровня, доступ к которой отсутствует вследствие санкционного режима, что повысит конкурентоспособность отечественной полупроводниковой продукции.


Аналитические исследования, аналитика, метрология и анализ отказов крайне востребованы среди производителей и разработчиков микроэлектронных изделий, приборов и элементов. В мировом масштабе объем рынка аналитических услуги и всего с этим связанного исчисляется миллиардами долларов.


В 2021 г. в ИНМЭ РАН был создан отдел структурного анализа и метрологии (ОСАМ) основной целью которого является обеспечение на современном уровне проведения исследований структурного анализа, электрофизических свойств и метрологии неорганических объектов, а также элементов биотехнологии, с целью получения комплексных данных для дальнейшего их применения в технологиях гетерогенной интеграции. К целям отдела относятся: обеспечение проведения исследований, измерений, метрологического сопровождения, контроля технологических процессов и т.д., участие в проведении и сопровождении фундаментальных и прикладных исследований и разработок по приоритетным направлениям развития науки и техники, исследование и разработка методов диагностики изделий микроэлектронной промышленности, анализ отказов и т.д.


В зоне ответственности отдела находится широкий перечень современного аналитического и измерительного оборудования ведущих мировых производителей относящихся к следующим классам (Рисунок 1): оптическая микроскопия, электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, ионная микроскопия и фокусированный ионный пучок, сканирующая зондовая и атомно силовая микроскопия, двулучевые растровые микроскопы, методики энергодисперсионного анализа и спектроскопии, масс-спектрометрия, ОЖЕ-электронная спектроскопия, зондовые, электро-физические и СВЧ исследования.


Рисунок 1. Возможности в области аналитики и метрологии.


Оборудование и измерительные приборы для проведения СВЧ, электрофизических и зондовых исследований являются средствами измерений утвержденного типа и обладают действующими сертификатами поверки. В зоне ответственности отдела имеется двулучевой растровый электронно-ионный микроскоп FEI Helios G4 CX являющийся средством измерений линейных размеров утвержденного типа и обладающий действующим сертификатом поверки. Так же средством измерений линейных размеров и шероховатости является имеющийся в отделе стилусный профилометр КLA-Tencor Р-17. Действующих сертификат поверки имеется (Рисунок 2).


а

б

в

г

Рисунок 2. Средства измерений утвержденного типа: (а, в) – FEI Helios G4 CX, (б, г) – KLA- Tencor Р-17/


За время существования отдела было выполнено более 10 работ для внешних Заказчиков по направлению анализа отказов и проведения аналитических исследований. Помимо решения прикладных задач был выполнен ряд фундаментальных исследований с применение различных методик.


Например, одна из наиболее востребованных задач – определение морфологии частиц и определение распределение химических элементов внутри них (Рисунок 3).


а

б

в

г

Рисунок 3. Морфология частицы (а, в) и распределение химических элементов (б, г).


При помощи методов просвечивающей микроскопии, электронной микроскопии и фокусированного ионного пучка можно подготовить образец и провести исследование структуры его слоев и определить их толщину и другие параметры.


а

б

Рисунок 4. Толщина гетероструктуры (а) и толщина отдельных ее слоев (б).


Применение методик ОЖЕ-электронной спектроскопии в сочетании с ионным травлением позволяют получать карты распределения химических элементов (Рисунок 5) в образце как по площади, так и по глубине (Рисунок 6).

Рисунок 5. Изображение гетероструктуры и карта распределения химических элементов.


Рисунок 6. Распределение химических элементов по глубине гетероструктуры.


Методы растровой электронной микроскопии в сочетании с возможностями фокусированного ионного пучка позволяют проводить исследования морфологии поверхности, выполнять подготовку образцов для проведения исследований при помощи просвечивающей электронной микроскопии, а также изучать внутреннюю структуру образца и определять ее различные параметры, например, толщины слоев и их элементный состав.


а

б

в

Рисунок 7. Морфология поверхности (а), подготовка для ПЭМ (б), исследование структуры на срезе (в).


Результаты проводимых в отделе исследований легли в основу множества научных статей, которые были опубликованы в ведущих иностранных и отечественных научных журналах. Часть результатов была представлена в виде докладов международных и российских научных конференций.