半導(dǎo)體行業(yè)自動化：電子顯微鏡、人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)

來源：《半導(dǎo)體芯科技》雜志

作者：David Akerson, Thermo Fisher公司高級全球市場開發(fā)經(jīng)理；John Flanagan, Thermo Fisher公司軟件工程師

為了支持半導(dǎo)體制造商的自動化需求，先進(jìn)的電子顯微鏡正在集成人工智能功能，以提供更快的數(shù)據(jù)生成時(shí)間并提高人力和工具資源的生產(chǎn)效率。

在過去五年中，半導(dǎo)體行業(yè)對部署人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)應(yīng)用程序的興趣迅速增長。借助可生成PB（千萬億字節(jié)）級數(shù)據(jù)的流程和工具，人工智能及其挖掘和利用數(shù)據(jù)的能力為半導(dǎo)體制造商提供了許多機(jī)會，幫助他們努力改進(jìn)流程、優(yōu)化人力和工具資源，以及自動化勞動密集型任務(wù)。人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)帶來的眾多機(jī)遇包括工藝自動化、工具優(yōu)化、故障檢測和分類、預(yù)測性工具維護(hù)、計(jì)量、工藝控制、排隊(duì)管理等許多方面。

在本文中，我們將重點(diǎn)介紹AI和ML用于半導(dǎo)體行業(yè)電子顯微鏡的自動化功能，包括掃描電子顯微鏡(SEM)、聚焦離子束SEM(FIB-SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和掃描透射電子顯微鏡((S)TEM)。我們將從簡要討論AI和ML開始，介紹自動化電子顯微鏡的案例，并討論當(dāng)今電子顯微鏡中可用的AI/ML功能。

人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)

在討論電子顯微鏡中的AI之前，簡要回顧一下AI概念可能會有所幫助。

在較高的層面上，人工智能不是一項(xiàng)單一的技術(shù)。相反，它是使機(jī)器能夠模仿人類智能的技術(shù)集合。人工智能系統(tǒng)包含四種能力：

1）使用相機(jī)或傳感器進(jìn)行感知的能力；

2）通過提取信息、檢測模式和識別上下文來理解的能力；

3）行動能力;

4）學(xué)習(xí)能力。

在這四種能力中，學(xué)習(xí)與人工智能的關(guān)聯(lián)度最高。

雖然許多人認(rèn)為AI和ML是同義詞，但兩者是略有不同的概念。機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的一個(gè)子領(lǐng)域，指的是自動化學(xué)習(xí)。對于AI系統(tǒng)，ML允許它根據(jù)過去的結(jié)果針對指定參數(shù)在迭代過程中感知、理解、分配重要性和修改行為，以提高性能。機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序可以是描述性的、預(yù)測性的或規(guī)范性的。

目前存在多種ML技術(shù)，大致分為兩大類：無監(jiān)督學(xué)習(xí)和監(jiān)督學(xué)習(xí)。

監(jiān)督學(xué)習(xí)需要數(shù)據(jù)標(biāo)簽或注釋，這些將作為機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)的教師。無監(jiān)督學(xué)習(xí)尋求在不需要標(biāo)簽的情況下發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中的模式和自然分組。由于標(biāo)記數(shù)據(jù)既昂貴又耗時(shí)，因此無監(jiān)督學(xué)習(xí)可能是有利的。然而，許多機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)無法修改為純粹的無監(jiān)督學(xué)習(xí)，例如圖像分類。這些技術(shù)通常可以結(jié)合使用。自監(jiān)督學(xué)習(xí)的技術(shù)首先在大量未標(biāo)記數(shù)據(jù)上學(xué)習(xí)使用與所需任務(wù)相關(guān)的任務(wù)。然后重新配置ML系統(tǒng)，從而在較小的標(biāo)記數(shù)據(jù)體上進(jìn)行自我調(diào)整。

無論使用哪一種方法，重要的是要記住ML取決于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的質(zhì)量、偏差和規(guī)模。錯誤、標(biāo)記不當(dāng)或不完整的數(shù)據(jù)可能會導(dǎo)致機(jī)器學(xué)習(xí)偏差，如果人工智能系統(tǒng)以某種方式進(jìn)行訓(xùn)練，它可能會以意想不到的方式提供信息。

另一個(gè)需要注意的子領(lǐng)域是深度學(xué)習(xí)(DL)。DL是受生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)啟發(fā)的一種特定類型的ML。深度學(xué)習(xí)使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它模仿人腦中的生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來處理信息，找到數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，并得出推論。DL熱潮是在2012年通過AlexNet而拉開帷幕，AlexNet在ImageNet分類任務(wù)方面產(chǎn)生了巨大的飛躍性改進(jìn)，而這種分類任務(wù)是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。DL的部署進(jìn)一步徹底改變了機(jī)器翻譯、語音識別、蛋白質(zhì)折疊和更多應(yīng)用領(lǐng)域。

最后，同樣重要的是要注意自動化可能也是勞動密集型的。機(jī)器學(xué)習(xí)算法需要進(jìn)行訓(xùn)練，可能需要使用標(biāo)記數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，這需要在數(shù)據(jù)注釋上投入時(shí)間。然而，一旦完成，只要目標(biāo)/推理數(shù)據(jù)與訓(xùn)練數(shù)據(jù)域相匹配，算法就可以很好地處理目標(biāo)任務(wù)。如果數(shù)據(jù)漂移，則需要重新進(jìn)行訓(xùn)練。

自動化電子顯微鏡的案例

簡單地說，半導(dǎo)體制造是人類有史以來最復(fù)雜的工作之一。制造當(dāng)今的三維(3D)半導(dǎo)體需要數(shù)百個(gè)工藝步驟才能生產(chǎn)出包含數(shù)十億個(gè)晶體管和互連線的單個(gè)芯片。隨著邏輯和存儲轉(zhuǎn)向具有更高密度的更高比率的3D結(jié)構(gòu)，具有亞埃精度的統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)的可用性，對于識別缺陷和超出公差的工藝步驟至關(guān)重要。因此，先進(jìn)的FIB-SEM、SEM和TEM工具成為在所有前沿晶圓制造工藝中獲取數(shù)據(jù)的關(guān)鍵組件。

在半導(dǎo)體行業(yè)中，電子顯微鏡已經(jīng)并將繼續(xù)在提供數(shù)據(jù)以改進(jìn)和優(yōu)化制造工作流程方面發(fā)揮越來越大的作用。從樣本中提取數(shù)據(jù)用于(S)TEM成像和分析，以校準(zhǔn)工具集、診斷故障機(jī)理并優(yōu)化工藝良率。然而，在執(zhí)行高度特定的測量之前，需要使用FIB-SEM準(zhǔn)備樣品，并且應(yīng)該注意的是，(S)TEM的成像和分析在很大程度上取決于樣品的質(zhì)量。

過去，SEM和TEM分析的樣品制備這一具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)一直由經(jīng)驗(yàn)豐富的FIB-SEM用戶手動進(jìn)行。在TEM樣品制備的情況下，這可能特別耗時(shí)。然而，隨著支持每一代持續(xù)的半導(dǎo)體開發(fā)所需的樣品數(shù)量呈指數(shù)級增長，人工處理正迅速變得不可持續(xù)，并且超過可用的人力資源。為了提供背景信息，一家典型的領(lǐng)先半導(dǎo)體制造商可能在當(dāng)前工藝節(jié)點(diǎn)上每月生產(chǎn)35,000到40,000個(gè)樣品，并且這個(gè)數(shù)字預(yù)計(jì)會在下一代中大幅增加。

一旦樣品準(zhǔn)備好后，分析工作就開始了。使用先進(jìn)的計(jì)量(S)TEM，例如Thermo ScientifificTM MetriosTM AX，實(shí)驗(yàn)室就可以測量關(guān)鍵尺寸并表征器件，以更好地了解其在原子尺度上的結(jié)構(gòu)。與樣品制備類似，此任務(wù)傳統(tǒng)上也是手動進(jìn)行的，而且也可能很耗時(shí)。

面對要處理的樣品數(shù)量的增加和提供信息的需要變得更快，許多半導(dǎo)體制造商正在尋求實(shí)驗(yàn)室和晶圓廠的工具自動化，并表現(xiàn)出對實(shí)驗(yàn)室和晶圓廠自動化工具的興趣。

電子顯微鏡中的AI/ML

在某種程度上，當(dāng)今電子顯微鏡的人工智能能力還處于起步階段，主要應(yīng)用于如下兩個(gè)領(lǐng)域：系統(tǒng)校準(zhǔn)和過程自動化。一個(gè)欠開發(fā)的領(lǐng)域是數(shù)據(jù)分析。為了提供半導(dǎo)體行業(yè)的一些AI應(yīng)用示例，下面將簡要介紹Thermo Fisher Scientifific的(S)TEM、DualBeam和掃描電子顯微鏡中支持AI的一些功能。

系統(tǒng)校準(zhǔn)

系統(tǒng)校準(zhǔn)主要是保持電子顯微鏡處于工作狀態(tài)并優(yōu)化其性能。在系統(tǒng)校準(zhǔn)中，四個(gè)最廣為人知的應(yīng)用程序是工具對準(zhǔn)、預(yù)測性維護(hù)和監(jiān)控、隊(duì)列管理和圖像優(yōu)化。這些應(yīng)用程序的示例如下。

通過工具對準(zhǔn)，電子顯微鏡利用計(jì)算機(jī)視覺和高級算法來對齊縱列和光束。AI跟蹤縱列的對齊狀態(tài)并將其與穩(wěn)定性窗口進(jìn)行比較，以保持工具對準(zhǔn)并按規(guī)范運(yùn)行。這確保了高質(zhì)量的數(shù)據(jù)捕獲，并防止了由于運(yùn)行時(shí)間錯誤或在收集數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)偏移導(dǎo)致的生產(chǎn)力損失。

通過使用AI和收集的傳感器數(shù)據(jù)來自動識別可能影響工具操作的潛在問題，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)和監(jiān)控。預(yù)測性維護(hù)和監(jiān)控提供了避免計(jì)劃外停機(jī)，根據(jù)需要主動安排維護(hù)，或在即將發(fā)生突然故障時(shí)通知進(jìn)行干預(yù)的能力。

此領(lǐng)域中的另一個(gè)應(yīng)用程序示例是圖像優(yōu)化。對于半導(dǎo)體行業(yè)，數(shù)據(jù)清理凈化或去噪對(S)TEM數(shù)據(jù)進(jìn)行可重復(fù)且具有統(tǒng)計(jì)意義的定量分析至關(guān)重要。在示例中，ML網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了訓(xùn)練，以降低信噪比(SNR)并提高SEM圖像質(zhì)量和采集速度。右邊的圖像是去噪后的圖像。

過程自動化

過程自動化應(yīng)用程序的目標(biāo)是自動執(zhí)行樣品制備、數(shù)據(jù)采集和計(jì)量任務(wù)，以提高勞動力資源的生產(chǎn)效率。提供過程自動化的三個(gè)應(yīng)用程序示例是終端點(diǎn)、自動化配方工作流程和感興趣區(qū)域(ROI)導(dǎo)航。終端點(diǎn)檢測利用ML、傳感器和計(jì)量測量，在金屬或感興趣的通孔層暴露時(shí)停止切削。當(dāng)看到特定的傳感器測量值、特征或閾值時(shí)，就會指示刻蝕工具停止刻蝕操作。通過自動化配方工作流程，“配方”（recipe）或腳本會編寫并用于執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)。ML作為一個(gè)配方組件，使得配方能夠適應(yīng)本地的數(shù)據(jù)。此領(lǐng)域中的最后一個(gè)示例是ROI導(dǎo)航，它允許檢測特定的特征以自動導(dǎo)航到ROI。通過此功能，用戶能夠改進(jìn)切割位置，定義圖像采集區(qū)域，并提高最終數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

數(shù)據(jù)分析

如上所述，半導(dǎo)體數(shù)據(jù)分析應(yīng)用并不像許多其他行業(yè)那樣發(fā)達(dá)。雖然人們對于利用數(shù)據(jù)洞察來推動更好選擇的應(yīng)用程序很感興趣，但許多因素導(dǎo)致了這些應(yīng)用程序的缺乏。關(guān)鍵因素之一是數(shù)據(jù)缺乏。隨著深度學(xué)習(xí)的最新進(jìn)展，它正在為新的應(yīng)用程序創(chuàng)造機(jī)會。但是，對數(shù)據(jù)的需求很大。在某些情況下，不需要客戶的特定數(shù)據(jù)。對于其他情況來說，由于需要大量數(shù)據(jù)，因此需要與半導(dǎo)體制造商合作以構(gòu)建具有生產(chǎn)價(jià)值的應(yīng)用程序。

小結(jié)

對于半導(dǎo)體行業(yè)來說，許多因素匯集在一起，需要在生產(chǎn)操作中實(shí)現(xiàn)自動化，包括更復(fù)雜的設(shè)計(jì)、更長的開發(fā)周期、日益激烈的競爭和技術(shù)資源限制。因此，許多半導(dǎo)體制造商正在探索利用人工智能實(shí)現(xiàn)工作自動化的技術(shù)。

隨著半導(dǎo)體公司開發(fā)新產(chǎn)品和加速制造，人工智能有可能產(chǎn)生巨大的商業(yè)價(jià)值。其優(yōu)勢包括自動化任務(wù)以釋放熟練的人力資源、改善工具的性能、優(yōu)化人員和工具生產(chǎn)力，以及加快開發(fā)周期和上市時(shí)間。

為了支持半導(dǎo)體制造商的自動化需求，先進(jìn)的電子顯微鏡正在集成AI功能，以提供更快的數(shù)據(jù)生成時(shí)間，并提高人力和工具資源的生產(chǎn)效率。雖然仍處于起步階段，但隨著制造商尋求提取隱藏在其數(shù)據(jù)中的價(jià)值，電子顯微鏡中的AI功能可能會迅速提升。

審核編輯：湯梓紅