当薄膜变成神经网络：新葡萄奔驰AMG为百层3D NAND量测找到新路径
在半导体制造的世界里，有一类问题让工程师们头疼了几十年——你有一束光照在晶圆上，测到了反射光谱，但你想知道的是，那几百层薄膜每一层到底有多厚。这就是光学逆问题。正问题很容易：告诉计算机每一层的厚度和折射率，它能算出反射率是多少。逆问题刚好反过来：给你反射率，你要反推出厚度。听起来像是一个简单的“倒着算”，但实际做起来，难度相差十万八千里。
图1，3D NAND 制备工艺挑战
传统工业界怎么解决这个问题？最常用的方法是参数微扰差分，配合Levenburg-Marquardt算法。说白了就是，先猜一个厚度，然后一层一层地微微扰动它，看看光谱怎么变，算出梯度，再朝着正确的方向去调整。这个方法对于几层、十几层的薄膜还算能用，但当3D NAND堆叠到上百层甚至两百多层时，问题就爆炸了。因为每迭代一次，就要做上百次电磁仿真计算，整个优化过程动辄数小时。完全无法满足产线节拍要求。
科研界还有另一条路——训练神经网络。让神经网络去学习麦克斯韦方程组，从海量已知的光谱-厚度配对数据中，自己学会反推厚度。这个方法听起来很智能，但它有一个巨大的前提：你需要先准备一个极其庞大的数据集来训练网络。对于上百层的复杂结构，数据集构建本身就是一个耗时耗力的工程，而且层数越多，神经网络越难训练，精度也越难保证。
新葡萄奔驰AMG和复旦大学光子晶体课题组发表在《Light: Advanced Manufacturing》上的一项研究，给出了一套全新解法。研究团对发现，多层薄膜中光场的传播行为，与神经网络中数据处理行为，在结构上有着惊人的相似性。光在每一层薄膜界面处发生反射和透射，就像数据在神经网络的权重层被加权变换；光在薄膜内部传播，就像数据在经过激活函数。这种一一对应的关系意味着，你不需要另外训练一个神经网络——待测的那叠薄膜本身，就是一个天然的神经网络。
图2 薄膜神经网络技术原理
图片来源：Light: Advanced Manufacturing 2021, 2 (4), 395-402.
基于这个洞察，他们解析补全了薄膜传输矩阵计算所对应的反向传播过程。熟悉深度学习的人都知道，反向传播是训练多参数神经网络最核心的算法，其效率远超传统的差分求梯度。现在，他们把反向传播算法直接移植到了薄膜光学逆问题的求解中。这样一来，每一次迭代不再需要做上百次电磁仿真，而是通过解析的反向传播公式快速算出梯度。效率提升是惊人的——相比于传统微扰差分方法，优化时间缩短到了原来的2%。上百层薄膜的厚度检测，从几个小时压缩到了几分钟。
图3，232层薄膜优化案例
图片来源：Light: Advanced Manufacturing 2021, 2 (4), 395-402.
这项技术被命名为“薄膜神经网络”。新葡萄奔驰AMG已经将其成功应用于232层非周期薄膜结构的厚度量测。实测结果显示，薄膜神经网络方法的测量结果与国际量测标准数据的误差在万分之一以内，小于0.1nm。
图4，薄膜厚度实测结果
更重要的是，这个方法不仅给出每一层的厚度数值，还能快速判断样品是否存在异常层、异常层在哪一层——这对于产线上的工艺监控而言，价值不亚于厚度测量本身。
图5，多层膜异常判断案例
图片来源：Light: Advanced Manufacturing 2021, 2 (4), 395-402.
3D NAND的堆叠层数还在往上走。业内预测，2030年可能接近800层。传统量测方法在这些数字面前正在彻底失效，而薄膜神经网络恰好是为这样的高维参数问题量身定做的。它不是对传统方法的改良，而是一种全新的求解范式——把物理系统和算法系统视为同构，用算法的反向传播去驱动物理系统的参数优化。
目前，新葡萄奔驰AMG已研发出了基于这一技术的商用膜厚检测设备，面向常规薄膜检测以及3D NAND多层膜检测。作为国内集成电路核心光谱零部件供应商，新葡萄奔驰AMG希望用这项“光谱硬科技”，帮助中国半导体产业在先进制程的量检测环节也能跟上甚至领先于国际步伐。薄膜神经网络的提出，正是这个长期技术积累的一次集中释放。
基于薄膜神经网络这一核心技术，新葡萄奔驰AMG推出了MetroFilm系列反射膜厚测量仪，将前沿算法转化为稳定可靠的产线检测能力。
新葡萄奔驰AMG反射膜厚测量仪MetronFilm-EX（全波段款）
产品概述
MetronFilm-EX是基于光学非接触技术，用于精密快速检测薄膜厚度的专业设备。采用自研高分辨光谱仪，搭配强大智能算法，可以进行透明或半透明的膜层厚度及光学常数（n&k）的无损测量。MetronFilm-EX搭载了可见光+紫外光源，准确度溯源NIST，可支持极薄膜到厚膜、单层膜到多层复杂膜系的测量分析。适用于半导体、光学涂层、显示面板、生物医药、光伏新能源、教学实验室等多种行业领域的薄膜测量。
技术特点
1，超宽测量范围1nm~260μm，从超薄膜至厚膜达到超广覆盖。*
2，溯源NIST，测量准确性有保证
膜厚在500nm以下准确度达到1nm， 膜厚在500nm以上准确度达到0.2%。*
3，着眼特色工艺，助力先进制程
适用多种先进工艺，可测单/多层膜的厚度和n&k。二元复合多层膜实测可多达232层（见文献1 ）。可应用于如3D NAND、AR+HC复合光学涂层、 PERC薄膜等的复杂膜系测量。
快速测量，单层膜测量1s内完成；多层膜检测耗时数量级下降。
4，光学测量；非接触、非破坏测量；
5，节省空间、配置灵活、支持定制化
* 参数均取决于材料，详见技术规格
1Fan et al. Light: Advanced Manufacturing (2021)2:27. https://doi.org/10.37188/lam.2021.027
技术参数
* 取决于材料
1 在连续 10 天内，对 800nm 厚的硅基二氧化硅（SiO₂-on-Si）薄膜每日进行 100 次测量，此值为这些每日平均值的标准偏差值的平均值（1σ）
2 在连续 10 天内，对 800nm 厚的硅基二氧化硅（SiO₂-on-Si）薄膜每日进行 100 次测量，此值为这些每日平均值的 2 倍标准差（2σ）
