Autor: Hafiz Khalid, VP of High Voltage Product & Business Development, XP Power
La tecnología de los chips semiconductores avanza hacia escalas nanométricas y subnanométricas, por lo que presenta unas exigencias mucho mayores sobre herramientas de metrología como los microscopios electrónicos de barrido (SEM, por sus siglas en inglés). Estos instrumentos son muy utilizados en la inspección de obleas de semiconductores y la detección de defectos para analizar pequeños detalles, identificar defectos, comprobar la integridad de las estructuras y medir dimensiones críticas.
Si bien la óptica y la columna de electrones de un SEM son fundamentales para su funcionamiento, el rendimiento de su fuente de alimentación de alta tensión es igual de importante o incluso más. La fuente de alimentación proporciona las tensiones estables y precisas que se necesitan para generar y controlar el haz electrónico que barre la muestra. Cualquier inestabilidad, ruido o deriva de esta tensión puede afectar directamente al rendimiento del SEM y derivar en medidas inexactas, imágenes distorsionadas y conclusiones potencialmente erróneas sobre el proceso de fabricación.
El reto de la fuente de alimentación
Las aplicaciones del SEM de alta resolución, especialmente en el control de procesos de fabricación de semiconductores de alto rendimiento y la inspección de defectos, exigen que los haces electrónicos sean extremadamente estables. Esto se traduce en unos requisitos rigurosos para la fuente de alimentación de alta tensión. Estas son las principales características de la fuente de alimentación que influyen de manera significativa sobre el funcionamiento del SEM:
- Bajos niveles de rizado y ruido: El rizado de la tensión o los picos de ruido pueden distorsionar la concentración del haz o la trayectoria de barrido y generar imágenes borrosas o inexactas. Esta distorsión de la señal afecta directamente a la calidad de la imagen. Conseguir unos niveles muy bajos de rizado y ruido es imprescindible en las aplicaciones de detección, análisis y médicas.
- Estabilidad a lo largo del tiempo: La deriva a largo plazo al acelerar o ajustar las tensiones puede afectar a la exactitud dimensional y a la repetibilidad necesarias para obtener unos resultados consistentes en la inspección de semiconductores. Una calidad inconsistente o la distorsión de la imagen puede cambiar durante un turno operativo si la estabilidad es mala. Por ejemplo, una fuente de alimentación con una estabilidad de 70 ppm que sufra una deriva de 200 ppm a lo largo de un turno de 8 horas puede proporcionar unos resultados extremadamente distintos que pueden acabar arrojando unos indicadores falsos sobre el proceso de fabricación u ocultar problemas que antes eran detectables. Se necesitan convertidores de precisión para mantener la tensión estable con el tiempo con el fin de minimizar la deriva y obtener unos resultados consistentes durante las 8 horas.
- Estabilidad respecto a la temperatura: La influencia del entorno, en concreto los cambios de temperatura, pueden afectar a la estabilidad de la tensión. El coeficiente de temperatura debe ser bajo para garantizar un funcionamiento estable a largo plazo y obtener unos resultados consistentes, sean cuales sean las fluctuaciones de la temperatura.
- Regulación de carga y línea: Las variaciones de la tensión de entrada (regulación de línea) o los cambios de la carga (regulación de carga) no deberían alterar la tensión de salida de forma significativa. La regulación precisa de la carga y la línea es vital para mantener una tensión estable a la salida bajo las cambiantes condiciones operativas.
- Baja descarga parcial: Las descargas parciales son descargas eléctricas que no rompen por completo el aislamiento entre conductores. En los sistemas de alimentación de alta tensión de alimentan los SEM, estas descargas pueden introducir picos o ruido que afecten a la calidad de la imagen o a la fiabilidad de la fuente de alimentación y del sistema en general. Es imprescindible minimizar las descargas parciales.
En la inspección de semiconductores, y en concreto de nodos de menos de 5nm, incluso las desviaciones de escala nanométrica provocadas por la inestabilidad de la fuente de alimentación pueden provocar una costosa malinterpretación del tamaño o la localización del defecto, lo cual afecta al rendimiento del proceso. Las limitaciones de espacio impuestas a los modernos sistemas de inspección también exigen fuentes de alimentación de pequeño tamaño sin que ello suponga sacrificar su rendimiento.
Figura 1. Los bajos niveles de rizado y ruido, junto a la alta estabilidad de la serie HRF de XP Power, hacen que resulte ideal para alimentar aplicaciones SEM de alta resolución.
Cómo afrontar los retos
Los convertidores CC/CC precisos de alta tensión, como los que pertenecen a la serie HRF de XP Power, están especialmente diseñados para cumplir los exigentes requisitos de la fuente de alimentación en aplicaciones críticas y sensibles al ruido. La plataforma ofrece varias características clave que solucionan los problemas afrontados por los ingenieros:
- Niveles excepcionalmente bajos de rizado y ruido: La serie HRF15 ofrece un rizado a partir del 0,001%. Este nivel tan extremadamente reducido permite conservar la estabilidad del haz electrónico y obtener imágenes nítidas de alta resolución que estén libres de la distorsión provocada por las fluctuaciones de tensión.
- Alta estabilidad a lo largo del tiempo: La serie presenta una baja estabilidad de incluso 10 ppm/hora y 25 ppm/8 horas tras un período de calentamiento de una hora. Esta elevada estabilidad marca una gran diferencia a su favor cuando se compara con otras alternativas disponibles en el mercado, cuya estabilidad es del orden de 70 ppm/hora o 200 ppm/8 horas. Para una tensión de salida típica de 15kV, una estabilidad de 10 ppm corresponde a una deriva de la tensión de tan sólo 0,15V (15 000V * 10/1 000 000), que se considera una deriva muy baja. Esta estabilidad garantiza una energía consistente del haz y medidas repetibles durante largos períodos de funcionamiento, algo primordial para los turnos de 8 horas de los entornos de producción.
- Bajo coeficiente de temperatura: Gracias a su coeficiente de temperatura de 25 ppm/°C, la serie HRF15 minimiza la variación de la tensión ocasionada por cambios en la temperatura ambiente. Esto asegura a su vez un rendimiento consistente en todo el rango de temperatura de funcionamiento especificado entre 0°C y +50°C.
- Excelente regulación de carga y línea: La serie HRF15 se caracteriza por una regulación de carga y línea del 0,001%. Esta regulación precisa garantiza que la tensión de salida siga siendo muy estable pese a las fluctuaciones de la tensión de entrada o a los cambios en la carga aplicada.
- Tamaño reducido: La serie ofrece salidas positivas y negativas de 10kV, 12kV y 15kV en un formato compacto que mide 162,6mm x 72,4mm x 33mm. Este pequeño tamaño le ayuda a ajustarse a las exigentes limitaciones de espacio impuestas por los modernos sistemas de inspección sin sacrificar su rendimiento. Cuando se compara con los productos de algunos competidores, ofrece una mayor estabilidad en un volumen bastante más pequeño, incluso menos de la mitad en algunos casos.
- Programabilidad y monitorización: La serie HRF proporciona una tensión y una corriente de salida programables entre el 0 y el 100% a través de una entrada programable de tensión CC analógica (Vpgm). También incorpora monitorización de la tensión y la corriente de salida. Funciones avanzadas como estas son importantes para los modernos sistemas de inspección ya que facilitan su integración en sistemas de próxima generación y ayudan a mantener el tiempo de actividad en entornos de fabricación de grandes cantidades. También dispone de comunicación digital.
Aplicaciones en los SEM y de otro tipo
Las fuentes de alimentación de alta tensión como la serie HRF15 se pueden utilizar en varios puntos dentro del SEM. Una aplicación clave es la alimentación de las lentes electrostáticas. Estas lentes controlan la dirección del haz electrónico, moviéndolo de izquierda a derecha o de derecha a izquierda dependiendo del patrón de barrido que se precise. La corriente necesaria depende de factores como el número de lentes alimentadas y la deflexión requerida. Si bien en general se usa un solo haz, los sistemas de inspección multihaz, que utilizan cientos o miles de haces, también necesitan fuentes de alimentación de alto rendimiento, a veces con unas especificaciones incluso más rigurosas.
Si bien aquí nos centramos en el SEM, la serie HRF15 también resulta muy adecuada para otras aplicaciones con unos requisitos similares en cuanto a estabilidad, bajo ruido y precisión. Entre ellas se encuentran la espectrometría de masas, las aplicaciones con haces de electrones y haces de iones, la electroforesis capilar, la polarización de alta tensión y la alimentación de detectores en equipos de análisis y medicina. La espectrometría de masas en concreto comparte unos requisitos muy similares a los del SEM, como la estabilidad a lo largo del tiempo y los bajos niveles de rizado/ruido.
Conclusión
El rendimiento de un SEM está muy ligado a la calidad de su fuente de alimentación de alta tensión. El nivel extremadamente bajo de rizado, ruido y deriva, junto con la alta estabilidad respecto al tiempo y la temperatura, no son unas características meramente deseables sino imprescindibles para obtener imágenes exactas, detectar defectos con fiabilidad y controlar procesos de forma consistente en entornos exigentes como las fábricas de semiconductores.
La serie HRF15 está diseñada para cumplir estos exigentes requisitos, de ahí que ofrezca especificaciones como un rizado <0,001%, una estabilidad de 10 ppm/h, un coeficiente de temperatura <25 ppm/°C y una regulación de carga/línea <0,001%. Estas características técnicas, junto con su tamaño reducido, una programabilidad del 0-100% y funciones de protección robusta, lo convierten en una solución de alto rendimiento muy adecuada para alimentar componentes críticos en los SEM y en otros instrumentos analíticos sensibles al ruido.
