复享光学首次提出薄膜神经网络 3D NAND多层薄膜量测获突破

2022年11月29日，据知名半导体和微电子情报提供商TechInsights报道，长江存储的232层3D NAND闪存X3-9070已经实现量产，领先于三星、美光、SK海力士等厂商，这也是 中国品牌在半导体领域首次领先于国际竞争者。

中国半导体在先进制程制造上的持续重大突破，给国产量检测设备的发展提出了同样的要求，只有追求全产业链的整体提升，才能真正保持国际领先。 复享光学作为国内集成电路核心光谱零部件供应商 ，配合设备厂商解决各类芯片制程工艺控制中的量检测核心问题，为实现集成电路产业的全链突破保驾护航。

近期，复享光学下属的上海微纳制程智能检测工程中心 首次提出薄膜神经网络，突破百层3D NAND量测关键技术 ，相关成果发表于国际知名光学期刊Light: Advanced Manufacturing。

业内对3D NAND堆叠层数的不断追求来源于市场对单芯片存储容量需求的不断提升。由于芯片的微缩化已经接近2x nm性价比极限，通过实现存储单元在垂直方向的层层堆叠，就可以大幅度提升NAND芯片的性能和存储密度。业内预测，在2025年左右3D NAND会达到500层，而在2030年左右达到800层。

百层膜厚检测，3D NAND制备的新挑战

多层膜的制备是3D NAND的前道工序。由于层间应力的存在，工艺完成后的实际层厚与设计值相比会存在较大的偏差，因此多层膜的不均匀性对芯片生产的良率构成了严峻的挑战。

3D NAND 制备工艺挑战

图片来源：Lam Research

目前市场上针对薄膜的厚度量测方法，通常使用参数微扰差分获取梯度，并结合Levenberg-Marquardt算法构建映射关系进行在线优化。对于超过20层以上较多参数的多层结构，该方案必须预先假定其为周期性结构才能适用。并且，较多的结构参数会导致优化时间长达几小时，相当于在一次迭代中进行上百次计算，大大增加了等待耗时。

可见，传统厚度量测方法在3D NAND领域存在较大的局限性，亟需开发新的膜厚量测方案，以满足在线实时检测的产线需求。

薄膜神经网络，百层膜厚检测的新路径

在深度学习领域，多参数神经网络的优化过程中，常常采用反向传播算法来对神经网络中的大量参数进行优化。 反向传播算法，是适合于多层神经元网络的一种学习算法。 相较于传统的差分求梯度，反向传播算法是一种非常有效的快速获取梯度优化神经网络的手段， 可上百倍，甚至上千倍地提升效率。

复享光学将光学逆问题研究主体（多层薄膜）视为神经网络来构建映射关系，并进行优化训练。这是全球首次将反向传播算法引入薄膜优化过程，在 复享深度光谱™ 技术框架下开创性地发展了薄膜神经网络技术，极大地缩短了百层薄膜厚度的优化时间，相比于传统微扰差分的方法，其 单次优化时间缩短为原来的2% 。

薄膜神经网络技术原理

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

目前， 复享光学已成功将此技术应用于232层非周期薄膜结构的厚度量测 ，有望解决百层3D NAND量测的痛点。

准确高效，比肩国际量测标准数据

除时间的大幅缩短外，薄膜神经网络技术的另一项优势在于，该技术无需前期准备大量数据集进行神经网络训练学习，直接构建于精确电磁仿真计算的映射关系上， 即使在薄膜层数达到232层，依然能保证光谱结果的精确性。

232层薄膜优化案例

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

经研究验证，复享光学提出的薄膜神经网络的技术方案，不仅可以实现多层薄膜厚度的快速检测，同时还能 判断样品是否异常以及异常层位置。

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

在晶圆膜厚量测过程中，基于薄膜神经网络的测量结果 与国际量测标准的数据进行对比 ， 误差在万分之一以内(＜0.1 nm) 。这一结果证明了该技术在晶圆级薄膜厚度测量场景中的可行性。

薄膜厚度实测结果

赋能微纳制造，微纳光学逆问题求解

3D NAND多层膜厚量测是一个典型的光学逆问题。 对光学逆问题的求解，是指从已知的光学响应反向推测微纳结构的求解过程。 除3D NAND的量测以外，还有一系列存在于微纳光学与半导体制程检测领域的关键问题，都是典型的光学逆问题。

薄膜神经网络技术的提出，得益于复享光学长期以来对微纳光学逆问题的研究工作，并 深度引入神经网络算法实现多维度光谱量检测的复杂应用 ，在光学算法上具有坚实的基础和应用经验。光谱量检测技术存在于各类微纳制造与量检测设备之中，是支撑集成电路和光电子芯片产业制造工艺的关键技术之一。

目前，复享光学的多系列光谱模组已在半导体前道工艺之中成功应用，并获得多家半导体头部客户的验证、生产导入及小批量订单。凭借 复享深度光谱™ 技术，复享光学希望与国内量检测设备厂商一起，解决先进制程核心工艺问题，以光谱硬 科技 助力产业发展。

关于复享光学

复享光学是深度光谱技术的创导者 ，历时十年，深耕微纳光电子领域，发展智能化全光谱技术，着力于光子学与人工智能的融合，形成了国际领先的深度光谱技术平台，向市场提供从技术到产品，从模块到系统的全面解决方案。

通过成立对接产业需求的 “上海微纳制程智能检测工程技术研究中心” ，并与复旦大学共建致力于研究微纳制造前沿共性关键技术的 “复旦大学光检测与光集成校企联合研究中心” ，复享光学形成了多层次的研发平台，以深度响应市场需求，持续推出突破性的产品。

复享光学已拥有国内外 超3000家 优质客户，并与 超170家 半导体、高端材料、生物医药企业形成交流与合作，与客户一起，致力于 实现科学技术创新 ， 推动微纳制造产业发展。

参考文献：

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