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

2022年11月29日，據知名半導體和微電子情報提供商TechInsights報道，長(cháng)江存儲的232層3D NAND閃存X3-9070已經(jīng)實(shí)現量產(chǎn)，領(lǐng)先于三星、美光、SK海力士等廠(chǎng)商，這也是中國品牌在半導體領(lǐng)域首次領(lǐng)先于國際競爭者。

中國半導體在先進(jìn)制程制造上的持續重大突破，給國產(chǎn)量檢測設備的發(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，才能真正保持國際領(lǐng)先。復享光學(xué)作為國內集成電路核心光譜零部件供應商，配合設備廠(chǎng)商解決各類(lèi)芯片制程工藝控制中的量檢測核心問(wèn)題，為實(shí)現集成電路產(chǎn)業(yè)的全鏈突破保駕護航。

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

圖片來(lái)源：msi.com

業(yè)內對3D NAND堆疊層數的不斷追求來(lái)源于市場(chǎng)對單芯片存儲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)現存儲單元在垂直方向的層層堆疊，就可以大幅度提升NAND芯片的性能和存儲密度。業(yè)內預測，在2025年左右3D NAND會(huì )達到500層，而在2030年左右達到800層。

百層膜厚檢測，3D NAND制備的新挑戰

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

3D NAND 制備工藝挑戰

圖片來(lái)源：Lam Research

目前市場(chǎng)上針對薄膜的厚度量測方法，通常使用參數微擾差分獲取梯度，并結合Levenberg-Marquardt算法構建映射關(guān)系進(jìn)行在線(xiàn)優(yōu)化。對于超過(guò)20層以上較多參數的多層結構，該方案必須預先假定其為周期性結構才能適用。并且，較多的結構參數會(huì )導致優(yōu)化時(shí)間長(cháng)達幾小時(shí)，相當于在一次迭代中進(jìn)行上百次計算，大大增加了等待耗時(shí)。

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

薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，百層膜厚檢測的新路徑

在深度學(xué)習領(lǐng)域，多參數神經(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)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )中的大量參數進(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)習算法。相較于傳統的差分求梯度，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)構建映射關(guān)系，并進(jìn)行優(yōu)化訓練。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，復享光學(xué)已成功將此技術(shù)應用于232層非周期薄膜結構的厚度量測，有望解決百層3D NAND量測的痛點(diǎn)。

準確高效，比肩國際量測標準數據

除時(shí)間的大幅縮短外，薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的另一項優(yōu)勢在于，該技術(shù)無(wú)需前期準備大量數據集進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )訓練學(xué)習，直接構建于精確電磁仿真計算的映射關(guān)系上，即使在薄膜層數達到232層，依然能保證光譜結果的精確性。

232層薄膜優(yōu)化案例

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

經(jīng)研究驗證，復享光學(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)現多層薄膜厚度的快速檢測，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.

在晶圓膜厚量測過(guò)程中，基于薄膜神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的測量結果與國際量測標準的數據進(jìn)行對比，誤差在萬(wàn)分之一以?xún)?＜0.1 nm)。這一結果證明了該技術(shù)在晶圓級薄膜厚度測量場(chǎng)景中的可行性。

薄膜厚度實(shí)測結果

賦能微納制造，微納光學(xué)逆問(wèn)題求解

3D NAND多層膜厚量測是一個(gè)典型的光學(xué)逆問(wèn)題。對光學(xué)逆問(wèn)題的求解，是指從已知的光學(xué)響應反向推測微納結構的求解過(guò)程。除3D NAND的量測以外，還有一系列存在于微納光學(xué)與半導體制程檢測領(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，得益于復享光學(xué)長(cháng)期以來(lái)對微納光學(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)現多維度光譜量檢測的復雜應用，在光學(xué)算法上具有堅實(shí)的基礎和應用經(jīng)驗。光譜量檢測技術(shù)存在于各類(lèi)微納制造與量檢測設備之中，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，復享光學(xué)的多系列光譜模組已在半導體前道工藝之中成功應用，并獲得多家半導體頭部客戶(hù)的驗證、生產(chǎn)導入及小批量訂單。憑借復享深度光譜?技術(shù)，復享光學(xué)希望與國內量檢測設備廠(chǎng)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)于復享光學(xué)

復享光學(xué)是深度光譜技術(shù)的創(chuàng )導者，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(zhù)力于光子學(xué)與人工智能的融合，形成了國際領(lǐng)先的深度光譜技術(shù)平臺，向市場(chǎng)提供從技術(shù)到產(chǎn)品，從模塊到系統的全面解決方案。

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

復享光學(xué)已擁有國內外超3000家優(yōu)質(zhì)客戶(hù)，并與超170家半導體、高端材料、生物醫藥企業(yè)形成交流與合作，與客戶(hù)一起，致力于實(shí)現科學(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：

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