復(fù)享光學(xué)首次提出薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 3D NAND多層薄膜量測(cè)獲突破

2022年11月29日，據(jù)知名半導(dǎo)體和微電子情報(bào)提供商TechInsights報(bào)道，長(zhǎng)江存儲(chǔ)的232層3D NAND閃存X3-9070已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，領(lǐng)先于三星、美光、SK海力士等廠商，這也是中國(guó)品牌在半導(dǎo)體領(lǐng)域首次領(lǐng)先于國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)者。

中國(guó)半導(dǎo)體在先進(jìn)制程制造上的持續(xù)重大突破，給國(guó)產(chǎn)量檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展提出了同樣的要求，只有追求全產(chǎn)業(yè)鏈的整體提升，才能真正保持國(guó)際領(lǐng)先。復(fù)享光學(xué)作為國(guó)內(nèi)集成電路核心光譜零部件供應(yīng)商，配合設(shè)備廠商解決各類(lèi)芯片制程工藝控制中的量檢測(cè)核心問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)集成電路產(chǎn)業(yè)的全鏈突破保駕護(hù)航。

近期，復(fù)享光學(xué)下屬的上海微納制程智能檢測(cè)工程中心首次提出薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，突破百層3D NAND量測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際知名光學(xué)期刊Light: Advanced Manufacturing。

圖片來(lái)源：msi.com

業(yè)內(nèi)對(duì)3D NAND堆疊層數(shù)的不斷追求來(lái)源于市場(chǎng)對(duì)單芯片存儲(chǔ)容量需求的不斷提升。由于芯片的微縮化已經(jīng)接近2x nm性?xún)r(jià)比極限，通過(guò)實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元在垂直方向的層層堆疊，就可以大幅度提升NAND芯片的性能和存儲(chǔ)密度。業(yè)內(nèi)預(yù)測(cè)，在2025年左右3D NAND會(huì)達(dá)到500層，而在2030年左右達(dá)到800層。

百層膜厚檢測(cè)，3D NAND制備的新挑戰(zhàn)

多層膜的制備是3D NAND的前道工序。由于層間應(yīng)力的存在，工藝完成后的實(shí)際層厚與設(shè)計(jì)值相比會(huì)存在較大的偏差，因此多層膜的不均勻性對(duì)芯片生產(chǎn)的良率構(gòu)成了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

3D NAND 制備工藝挑戰(zhàn)

圖片來(lái)源：Lam Research

目前市場(chǎng)上針對(duì)薄膜的厚度量測(cè)方法，通常使用參數(shù)微擾差分獲取梯度，并結(jié)合Levenberg-Marquardt算法構(gòu)建映射關(guān)系進(jìn)行在線優(yōu)化。對(duì)于超過(guò)20層以上較多參數(shù)的多層結(jié)構(gòu)，該方案必須預(yù)先假定其為周期性結(jié)構(gòu)才能適用。并且，較多的結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)，相當(dāng)于在一次迭代中進(jìn)行上百次計(jì)算，大大增加了等待耗時(shí)。

可見(jiàn)，傳統(tǒng)厚度量測(cè)方法在3D NAND領(lǐng)域存在較大的局限性，亟需開(kāi)發(fā)新的膜厚量測(cè)方案，以滿(mǎn)足在線實(shí)時(shí)檢測(cè)的產(chǎn)線需求。

薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，百層膜厚檢測(cè)的新路徑

在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，多參數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化過(guò)程中，常常采用反向傳播算法來(lái)對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的大量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。反向傳播算法，是適合于多層神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的一種學(xué)習(xí)算法。相較于傳統(tǒng)的差分求梯度，反向傳播算法是一種非常有效的快速獲取梯度優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的手段，可上百倍，甚至上千倍地提升效率。

復(fù)享光學(xué)將光學(xué)逆問(wèn)題研究主體（多層薄膜）視為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)構(gòu)建映射關(guān)系，并進(jìn)行優(yōu)化訓(xùn)練。這是全球首次將反向傳播算法引入薄膜優(yōu)化過(guò)程，在復(fù)享深度光譜?技術(shù)框架下開(kāi)創(chuàng)性地發(fā)展了薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，極大地縮短了百層薄膜厚度的優(yōu)化時(shí)間，相比于傳統(tǒng)微擾差分的方法，其單次優(yōu)化時(shí)間縮短為原來(lái)的2%。

薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)原理

圖片來(lái)源：Light: Advanced Manufacturing 2021, 2 (4), 395-402.

目前，復(fù)享光學(xué)已成功將此技術(shù)應(yīng)用于232層非周期薄膜結(jié)構(gòu)的厚度量測(cè)，有望解決百層3D NAND量測(cè)的痛點(diǎn)。

準(zhǔn)確高效，比肩國(guó)際量測(cè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)

除時(shí)間的大幅縮短外，薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)在于，該技術(shù)無(wú)需前期準(zhǔn)備大量數(shù)據(jù)集進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)，直接構(gòu)建于精確電磁仿真計(jì)算的映射關(guān)系上，即使在薄膜層數(shù)達(dá)到232層，依然能保證光譜結(jié)果的精確性。

232層薄膜優(yōu)化案例

圖片來(lái)源：Light: Advanced Manufacturing 2021, 2 (4), 395-402.

經(jīng)研究驗(yàn)證，復(fù)享光學(xué)提出的薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)方案，不僅可以實(shí)現(xiàn)多層薄膜厚度的快速檢測(cè)，同時(shí)還能判斷樣品是否異常以及異常層位置。

圖片來(lái)源：Light: Advanced Manufacturing 2021, 2 (4), 395-402.

在晶圓膜厚量測(cè)過(guò)程中，基于薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量結(jié)果與國(guó)際量測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，誤差在萬(wàn)分之一以?xún)?nèi)(＜0.1 nm)。這一結(jié)果證明了該技術(shù)在晶圓級(jí)薄膜厚度測(cè)量場(chǎng)景中的可行性。

薄膜厚度實(shí)測(cè)結(jié)果

賦能微納制造，微納光學(xué)逆問(wèn)題求解

3D NAND多層膜厚量測(cè)是一個(gè)典型的光學(xué)逆問(wèn)題。對(duì)光學(xué)逆問(wèn)題的求解，是指從已知的光學(xué)響應(yīng)反向推測(cè)微納結(jié)構(gòu)的求解過(guò)程。除3D NAND的量測(cè)以外，還有一系列存在于微納光學(xué)與半導(dǎo)體制程檢測(cè)領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題，都是典型的光學(xué)逆問(wèn)題。

薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的提出，得益于復(fù)享光學(xué)長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)微納光學(xué)逆問(wèn)題的研究工作，并深度引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)多維度光譜量檢測(cè)的復(fù)雜應(yīng)用，在光學(xué)算法上具有堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。光譜量檢測(cè)技術(shù)存在于各類(lèi)微納制造與量檢測(cè)設(shè)備之中，是支撐集成電路和光電子芯片產(chǎn)業(yè)制造工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，復(fù)享光學(xué)的多系列光譜模組已在半導(dǎo)體前道工藝之中成功應(yīng)用，并獲得多家半導(dǎo)體頭部客戶(hù)的驗(yàn)證、生產(chǎn)導(dǎo)入及小批量訂單。憑借復(fù)享深度光譜?技術(shù)，復(fù)享光學(xué)希望與國(guó)內(nèi)量檢測(cè)設(shè)備廠商一起，解決先進(jìn)制程核心工藝問(wèn)題，以光譜硬科技助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

關(guān)于復(fù)享光學(xué)

復(fù)享光學(xué)是深度光譜技術(shù)的創(chuàng)導(dǎo)者，歷時(shí)十年，深耕微納光電子領(lǐng)域，發(fā)展智能化全光譜技術(shù)，著力于光子學(xué)與人工智能的融合，形成了國(guó)際領(lǐng)先的深度光譜技術(shù)平臺(tái)，向市場(chǎng)提供從技術(shù)到產(chǎn)品，從模塊到系統(tǒng)的全面解決方案。

通過(guò)成立對(duì)接產(chǎn)業(yè)需求的“上海微納制程智能檢測(cè)工程技術(shù)研究中心”，并與復(fù)旦大學(xué)共建致力于研究微納制造前沿共性關(guān)鍵技術(shù)的“復(fù)旦大學(xué)光檢測(cè)與光集成校企聯(lián)合研究中心”，復(fù)享光學(xué)形成了多層次的研發(fā)平臺(tái)，以深度響應(yīng)市場(chǎng)需求，持續(xù)推出突破性的產(chǎn)品。

復(fù)享光學(xué)已擁有國(guó)內(nèi)外超3000家優(yōu)質(zhì)客戶(hù)，并與超170家半導(dǎo)體、高端材料、生物醫(yī)藥企業(yè)形成交流與合作，與客戶(hù)一起，致力于實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)微納制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

Light: Advanced Manufacturing 2021, 2 (4), 395-402.