如今，CD-SAXS（關(guān)鍵尺寸小角X射線(xiàn)散射）是下一代半導體制造的全行業(yè)測量技術(shù)。CD-SAXS由NIST研究人員Wen-Li Wu和Joe Kline開(kāi)發(fā)，通過(guò)多項合作研發(fā)協(xié)議，在行業(yè)合作伙伴的幫助下，CD-SAXS從實(shí)驗室技術(shù)成熟為實(shí)際應用。需要這種協(xié)作努力才能在盡可能短的時(shí)間內將這項技術(shù)推向市場(chǎng)。大約60項專(zhuān)利申請可以追溯到這項研究。目前，所有主要的工具供應商和半導體制造工廠(chǎng)都在進(jìn)行CD-SAXS開(kāi)發(fā)項目，這些項目可以直接追溯到NIST的這項創(chuàng )新。
數百萬(wàn)人每天使用的大多數電子設備都含有半導體。這些半導體有效地允許電流流過(guò)它們，在為當前和未來(lái)的技術(shù)提供動(dòng)力方面發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。半導體制造業(yè)目前每年產(chǎn)生約300億美元的收入。
二十年前，NIST研究人員的小團隊專(zhuān)注于測量晶體管。晶體管是放大、控制和產(chǎn)生電信號的半導體器件。反過(guò)來(lái)，晶體管是集成電路的有源元件，也稱(chēng)為微芯片。單個(gè)微芯片可以包含數十億個(gè)晶體管。這些微芯片已經(jīng)發(fā)展成像指甲一樣小，每個(gè)晶體管都有一條DNA鏈的大小。測量必須準確無(wú)誤，每個(gè)組件才能正常運行，這可能是一個(gè)艱巨的挑戰，尤其是在半導體每年都變小的情況下。傳統上，晶體管是用電子顯微鏡測量的，但隨著(zhù)晶體管尺寸的減小，電子顯微鏡已經(jīng)跟不上了。
由Wen-Li Wu和Joe Kline領(lǐng)導的NIST團隊尋求一種方法來(lái)測量為電子設備供電的數十億個(gè)復雜納米級晶體管的形狀和尺寸。該行業(yè)需要新的測量方法，可以快速、無(wú)損地量化這些維度。需要快速、準確的測量，以確保制造和供應鏈不會(huì )中斷，從而對行業(yè)產(chǎn)生負面影響。
大約在這個(gè)時(shí)候，Wu和Kline的NIST團隊發(fā)明了X射線(xiàn)衍射，它提供了有關(guān)材料化學(xué)結構和物理性質(zhì)的詳細數據。NIST研究人員使用X射線(xiàn)衍射來(lái)研究原子的性質(zhì)，因此該團隊看到了在納米級晶體管上使用這種技術(shù)的機會(huì )，這些晶體管的大小與DNA和蛋白質(zhì)的結構相似。Wu和Kline開(kāi)始開(kāi)發(fā)應用于半導體行業(yè)的技術(shù)。他們的概念驗證是測量半導體的形狀、角度和特征的粗糙度。他們需要向行業(yè)證明他們可以量化這一點(diǎn)，以便將這種新測量方法實(shí)施到普遍實(shí)踐中。
這種方法被稱(chēng)為關(guān)鍵尺寸小角X射線(xiàn)散射（CD-SAXS），可以無(wú)損地測量半導體器件中三維納米結構的形狀。這種創(chuàng )新的測量技術(shù)是在同步加速器設施中設計的，該設施為X射線(xiàn)提供了非常強大的來(lái)源。
從概念到工業(yè)應用的轉變是一個(gè)需要克服的重大障礙，因為CD-SAXS與當時(shí)半導體的計量技術(shù)大不相同。它是如此不同，以至于Wen-Li和Joe不得不帶頭從頭開(kāi)始構建整個(gè)基礎設施，從硬件規格到軟件和數據分析工具。隨之而來(lái)的是與半導體行業(yè)持續互動(dòng)的需求，以在市場(chǎng)上創(chuàng )造接受度。他們需要說(shuō)服半導體制造商采用這種技術(shù)，這將擾亂當前的半導體測量技術(shù)市場(chǎng)，但完全需要為半導體的未來(lái)鋪平道路，因為它們繼續以更小的小型化規模生產(chǎn)。
該團隊通過(guò)構建整個(gè)基礎設施、進(jìn)行可行性研究以及開(kāi)發(fā)所需的分析方法和軟件，在實(shí)驗室中快速設計了 CD-SAXS 原型。在此期間，NIST團隊和企業(yè)之間建立了公私合作伙伴關(guān)系，這是將技術(shù)加速到制造設施以跟上半導體生產(chǎn)的必要步驟。行業(yè)領(lǐng)導者與NIST團隊合作，使用CD-SAXS原型進(jìn)行測量，使NIST團隊能夠驗證CD-SAXS相對于標準測試方法的優(yōu)越性。
隨著(zhù)半導體尺寸的不斷縮小，CD-SAXS 繼續在整個(gè)半導體制造行業(yè)中得到廣泛采用。工業(yè)界必須有一種高度精確的方法來(lái)測量半導體，因為它們已經(jīng)成為并將繼續成為日常生活中發(fā)現和使用的技術(shù)的主要組成部分。
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