הקוסמים של הבלתי אפשרי: אתגרי מאגד Metro450 לציוד בדיקת שבבים

2 פברואר, 2014

האם ניתן לבדוק פרוסות סיליקון בקוטר של 450 מ"מ הכוללות מיליארדי טרנזיסטורים בגודל של 7/10 ננומטר? כמה מטובי המוחות בישראל מתמודדים כיום במסגרת מאגד Metro450 עם האתגר הקשה ביותר בתעשיית השבבים העולמית

האם ניתן לבדוק פרוסות סיליקון בקוטר של 450 מ"מ עם טרנזיסטורים בגודל של 7/10 ננומטר? המוחות הישראלים במאגד Metro450 מתמודדים כיום עם האתגר הקשה ביותר בתעשיית השבבים העולמית

תעשיית הסמיקונדקטורס העולמית נמצאת בעיצומו של מהלך רחב היקף שנועד לעמוד בשתי משימות בו-זמנית: גם להעביר את ייצור השבבים מפורות סיליקון בקוטר של 300 מ"מ ל-400 מ"מ, ובמקביל להמשיך בתנופת המיזעור ולעבור ממטרנזיסטורים שרוחב השער שלהם הוא 14/22 ננומטר, לרוחב שער של 7/10 ננומטר.

הסיבה ברורה: על-פי ההערכות, המעבר הצפוי יפחית את עלות הייצור של כל רכיב סיליקון בכ-25%-30% בהשוואה לייצור ב-300 מ"מ. אלא שכדי לעמוד במשימה, לא מספיק לפתח תהליכי ייצור – יש צורך לבדוק את קו הייצור. המשימה הזו מוטלת על כתפיהם של מהנדסים וחוקרים ישראלים, המשתפים פעולה במסגרת מאגד Metro450 שהוקם על-ידי המדען הראשי במשרד התמ"ת, התמ"ת, האקדמיה והתעשייה בישראל.

ישראל מחזיקה בשליש משוק המטרולוגיה העולמי

בכנס השנתי של המאגד, שנערך לפני כשבוע בטכניון, הסביר יו"ר המאגד, מנחם שובל, מדוע האתגר עומד לפיתחה של ישראל: "ישראל היא מרכז מטרולוגיה חשוב. פועלות כאן חברות כמו אפלייד מטיריאלס, אינטל, KLA, צייס וחברות מקומיות כמו נובה, קמטק, אורבוטק, ג'ורדן ואלי ואחרות. ישראל מספקת לתעשייה העולמית שליש ממוצרי המטרולוגיה שהיא צורכת". מדובר בהרבה מאוד כסף, שוק המטרולוגיה העולמי נאמד בכ-4.5 מיליארד דולר בשנה.

מנהל ארגון ENIAC באיחוד האירופי, ד"ר אנדריאס ווילד, סיפר שהמשקל של חברות ישראליות בפרוייקטים של האיחוד בתחום המטרולוגיה הוא בלתי פרופורציונלי: "מתוך תקציב של 450 מיליון אירו, קיבלו החברות מישראל קרוב ל-150 מיליון אירו".

נשיא אפלייד מטיריאלס ישראל (Applied Materials) שהעניקה את החסות לארוע, איתי רוזנפלד, הסביר שהפעם מדובר בקפיצת דרך טכנולוגית יוצאת דופן: עד עכשיו הליתוגרפיה היא זו שדחפה את תהליך מיזעור השבבים, אולם כעת הגענו למצב שבו השימוש באורך גל קצר יותר כבר אינו מספיק.

"המטרולוגיה צריכה להתמודד עם אגרים כמו מדידת מבנים תלתמימדיים מורכבים כמו טרנזיסטורי FinFET, 3D/VNAND ושימוש ב-Nano-wires. הפגמים נעשים קטנים יותר וקשה יותר להפריד בין פגמים בייצור לבין וריאציות בייצור שאינן פגמים. המערכות צריכות לספק יכולת לקלוט ולעבד מידע בהיקף של 50GB תוך 4 שניות. וכל זה במחיר שהתעשייה יכולה לעמוד בו.

"ההשקעות הדרושות כדי לבנות פאב המייצר פרוסות סיליקון של 200 מ"מ היו 1 מיליארד דולר למתקן. ב-300 מ"מ המחיר עלה ל-5 מיליארד דולר, והעלות הצפויה של פאב 450 מ"מ נאמדת בכ-10 מיליארד דולר. המטרה שלנו היא לספק כלי בדיקה ל-450 מ"מ מבלי להעלות משמעותית את מחיר המערכות".

טכנולוגיות בלתי-צפויות

אחת מהבעיות הגדולות הכרוכות במעבר לפרוסות הסיליקון הגדולות היא שהמעבר ייעשה בו-זמנית עם מעבר לייצור בתהליכים של 7-10 ננומטר. להערכת ד"ר ראנד קוטל מקונסורציום G450C האירופי, עדיין לא ברור כיצד ייראו שבבי ה-7 ננומטר.

"לפי חלק מההערכות, הטרנזיסטורים הבודדים ייראו כמעין צילינדרים אופקיים שידרשו ממערכות המטרולוגיה יכולת לאסוף מידע של אלמנטים מוסתרים. עדיין גם לא ברור באיזה חומרים ישתמשו, ויש לזה השלכות על המטרולוגיה מכיוון של כל חומר יש תכונות אופטיות שונות. ומעל לכל ניצבת השאלה הגדולה: האם המטרולוגיה האופטית יכולה להתמודד עם המימד החדש?"

ההצעה של מנכ"ל חברת ג'ורדן ואלי, איזאק מזור, היא להשתמש בקרני X. "המעבר מסיליקון (Si) לגרמניום (Ge) ייצור הרבה מאוד פגמים. רכיבי הזיכרונות ייכנסו ראשונים לייצור ב-450 מ"מ ולכן צריך יכולת בדיקה של המבנים התלת-מימדיים בתחום הזיכרון. קרני X יכולים להתמודד עם המבנים התלת-מימדיים האלה, ואפילו לגלות תקלות החודרות לתוך הווייפר".

מה הן גבולות המכניקה?

הבעיות הכרוכות בפיתוח המערכות החדשות נוגעות כמעט לכל אספקט של המערכת. אפילו המערכת המכנית מגיעה לקצה היכולת: בהשוואה ל-300 מ"מ, שטח הפרוסה החדש גדול פי 2.25 ומרחק התנועה גדול פי 1.5. גם הטיול בפרוסה תובעני יותר: המסה ומהירות השינוע שלו גדולות פי 2.5, אבל דיוק המיקום שלה גדול פי 100. ד"ר ניר קרקסיקוב, מנכ"ל חברת Nanomotion המפתחת פתרונות תנועה המבוססים על מנועים פיאזו-אלקטריים, סיפר שהחברה מפתחת פתרון תנועה עבור הקונסורציום המאפשר לספק תנועה יציבה, ברמת דיוק ננומטרית – ובמהירות של 900 מ"מ לשניה.

מנהל הפיתוח בחברת אפלייד מטיריאלס ישראל, אורי צרפתי, הסביר שמערכת השינוע הפנימית, אשא מטפלת בפרוסת הסיליקון ובראשי הבדיקה צריכה לנוע במהירות של כ-1 מטרים לשנייה ברמת דיוק של כ-10 ננומטר כדי להשיג דיוק מדידה של 1 ננומטר. "מדובר במערכת השוקלת לעתים מאות קילוגרמים. צריך גם לזכור שבמימדים כאלה, כל אלקטרון שאנחנו שולחים לווייפר מטעין אותו במטען חשמלי – ופוגע במדידה שלנו עצמנו".

ראש המרכז להנדסת מחשבים בטכניון, פרופ' אסף שוסטר, עומד בראש הקבוצה אשר מפתחת את הפיתרון המיחשובי של המערכות העתידיות. גם כאן המשימה נראית דמיונית בהיקפה: "המערכת צריכה לאסוף בזמן-אמת מידע בקצב של 10 גיגה-פיקסל בשנייה". או כמו שאורי צרפתי מגדיר זאת: "המחשב במערכת צריך לבצע 10 בחזקת 15 פעולות עיבוד בשנייה. במונחי חומרה, כדי לעבד את המידע הזה יש צורך באלפי מעבדי DSP".

המפליא ביותר באתגר הפיתוח של מערכות המטרולוגיה החדשות, הוא שכל המשתתפים בארוע לא חשבו שמדובר במשימה בלתי-אפשרית. "לכן אמרתי שמדובר באתגרים, ולא במשימה שלא ניתן לבצע", אמר רוזנפלד ל-Techtime.

בוקסה: מי בכלל צריך מטרולוגיה?

גישה חתרנית ליעדי הפעילות של המאגד הוצגה על-ידי פרופ' לוטר פיזנר ממכון פרנהאופר בגרמניה. לדבריו, העיסוק הנימרץ במטרולוגיה הוא מיותר, או לפחות יהיה מיותר בתוך זמן קצר. "אנחנו מתקרבים לעידן שבו לא ניתן יהיה להפריד בין מערכות מכניות לבין מערכות אלקטרוניות. הרבה חלקים מכניים עוברים תהליכי מיזעור ומתקרבים לרכיבים האלקטרוניים (הכוונה לרכיבי MEMS) ולכן צריך לבדוק אותם ביחד. אנחנו קרובים למצב שבו לא נוכל לבצע בדיקות, אבל נוכל לגלות פגמים בייצור".

פרופ' פיזנר מאמין שהעתיד טמון במושג החדש "מטרולוגיה וירטואלית" (Virtual Metrology). פיזנר: "המטרולוגיה היא שלב לא פרודוקטיבי בתהליך הייצור. לכן עלינו להפסיק לאסוף נתונים פיסיקליים באמצעות ציוד אופטי ולבצע מדידות עקיפות באמצעות מדידות חשמליות: בדיקת פונקציונליות של המוצר הסופי והפעלת תוכנות אנליטיקס. רק כך נוכל לנתח את תהליך הייצור כדי להגיע לתפוקה אופטימלית".

פורסם בקטגוריות: אלקטרואופטיקה , בקרה וציוד תעשייתי , חדשות , סמיקונדקטורס

פורסם בתגיות: featured