如今，CD-SAXS（關鍵尺寸小角X射線散射）是下一代半導體制造的全行業(yè)測量技術。CD-SAXS由NIST研究人員Wen-Li Wu和Joe Kline開發(fā)，通過多項合作研發(fā)協(xié)議，在行業(yè)合作伙伴的幫助下，CD-SAXS從實驗室技術成熟為實際應用。需要這種協(xié)作努力才能在盡可能短的時間內(nèi)將這項技術推向市場。大約60項專利申請可以追溯到這項研究。目前，所有主要的工具供應商和半導體制造工廠都在進行CD-SAXS開發(fā)項目，這些項目可以直接追溯到NIST的這項創(chuàng)新。
數(shù)百萬人每天使用的大多數(shù)電子設備都含有半導體。這些半導體有效地允許電流流過它們，在為當前和未來的技術提供動力方面發(fā)揮著關鍵作用。半導體制造業(yè)目前每年產(chǎn)生約300億美元的收入。
二十年前，NIST研究人員的小團隊專注于測量晶體管。晶體管是放大、控制和產(chǎn)生電信號的半導體器件。反過來，晶體管是集成電路的有源元件，也稱為微芯片。單個微芯片可以包含數(shù)十億個晶體管。這些微芯片已經(jīng)發(fā)展成像指甲一樣小，每個晶體管都有一條DNA鏈的大小。測量必須準確無誤，每個組件才能正常運行，這可能是一個艱巨的挑戰(zhàn)，尤其是在半導體每年都變小的情況下。傳統(tǒng)上，晶體管是用電子顯微鏡測量的，但隨著晶體管尺寸的減小，電子顯微鏡已經(jīng)跟不上了。
由Wen-Li Wu和Joe Kline領導的NIST團隊尋求一種方法來測量為電子設備供電的數(shù)十億個復雜納米級晶體管的形狀和尺寸。該行業(yè)需要新的測量方法，可以快速、無損地量化這些維度。需要快速、準確的測量，以確保制造和供應鏈不會中斷，從而對行業(yè)產(chǎn)生負面影響。
大約在這個時候，Wu和Kline的NIST團隊發(fā)明了X射線衍射，它提供了有關材料化學結構和物理性質的詳細數(shù)據(jù)。NIST研究人員使用X射線衍射來研究原子的性質，因此該團隊看到了在納米級晶體管上使用這種技術的機會，這些晶體管的大小與DNA和蛋白質的結構相似。Wu和Kline開始開發(fā)應用于半導體行業(yè)的技術。他們的概念驗證是測量半導體的形狀、角度和特征的粗糙度。他們需要向行業(yè)證明他們可以量化這一點，以便將這種新測量方法實施到普遍實踐中。
這種方法被稱為關鍵尺寸小角X射線散射（CD-SAXS），可以無損地測量半導體器件中三維納米結構的形狀。這種創(chuàng)新的測量技術是在同步加速器設施中設計的，該設施為X射線提供了非常強大的來源。
從概念到工業(yè)應用的轉變是一個需要克服的重大障礙，因為CD-SAXS與當時半導體的計量技術大不相同。它是如此不同，以至于Wen-Li和Joe不得不帶頭從頭開始構建整個基礎設施，從硬件規(guī)格到軟件和數(shù)據(jù)分析工具。隨之而來的是與半導體行業(yè)持續(xù)互動的需求，以在市場上創(chuàng)造接受度。他們需要說服半導體制造商采用這種技術，這將擾亂當前的半導體測量技術市場，但完全需要為半導體的未來鋪平道路，因為它們繼續(xù)以更小的小型化規(guī)模生產(chǎn)。
該團隊通過構建整個基礎設施、進行可行性研究以及開發(fā)所需的分析方法和軟件，在實驗室中快速設計了 CD-SAXS 原型。在此期間，NIST團隊和企業(yè)之間建立了公私合作伙伴關系，這是將技術加速到制造設施以跟上半導體生產(chǎn)的必要步驟。行業(yè)領導者與NIST團隊合作，使用CD-SAXS原型進行測量，使NIST團隊能夠驗證CD-SAXS相對于標準測試方法的優(yōu)越性。
隨著半導體尺寸的不斷縮小，CD-SAXS 繼續(xù)在整個半導體制造行業(yè)中得到廣泛采用。工業(yè)界必須有一種高度精確的方法來測量半導體，因為它們已經(jīng)成為并將繼續(xù)成為日常生活中發(fā)現(xiàn)和使用的技術的主要組成部分。
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