בתמונה למעלה: ד"ר דורון משולח מאפלייד מטיריאלס, יו"ר מאגד Multi-Dimentional Metrology
בכנס הסיכום של המאגד הישראלי לפיתוח טכנולוגיות תשתיתיות בתחום המטרולוגיה (MDM – Multi-Dimensional Metrology) של ייצור שבבים שהתקיים לפני כשבועיים, התברר ששיתופי הפעולה בין החברות הישראליות והאקדמיה הולידו פיתוחים חדשניים ברמה עולמית, באחד מתחומי הטכנולוגיה הקשים והמאתגרים בתעשיית ייצור שבבים.
יו"ר המאגד, ד"ר דורון משולח, מנהל טכנולוגיות ושיתופי פעולה אסטרטגיים בחברת אפלייד מטיריאלס ישראל, חשף נתונים על תעשיית המטרולוגיה הישראלית. ההשקעות במערכות המטרולוגיה המשמשות בקווי הייצור של השבבים הינן בהיקף של כ-12%-10% מההשקעות בציוד הייצור. מדובר בשוק גדול, הצפוי לגדול בשנים הקרובות, עקב הגידול הצפוי בהשקעות בתשתיות ייצור שבבים. להערכת חברת גרטנר, בשנת 2020 יגיע היקף השוק העולמי קרוב ל-5.6 מיליארד דולר, ויצמח להיקף של כ-7 מיליארד דולר בשנת 2024. לדברי ד”ר משולח, כיום פועלות בישראל חברות מטרולוגיה בעלות משקל משמעותי בתחום, וביחד ישראל אחראית לכשליש מהשוק בעולם.
התעשייה דורשת פתרונות מטרולוגיה חדשים
חברות המטרולוגיה הגדולות בישראל לתעשיית השבבים הן אפלייד מטיריאלס ישראל, נובה, KLA, ברוקר וקמטק. ההערכה היא כי ביחד הן מעסיקות באופן ישיר כ-3,300 עובדים ובסך הכל מספקות למשק כ-10,000 משרות. חברות מטרולוגיה ישראליות רוכשות מספקים מקומיים מוצרים ושירותים בהיקף שנתי של כ-350 מיליון דולר. כמו-כן, מקיימות החברות שיתופי פעולה עם האקדמיה, התורמים לשיתוף והעברת ידע בין האקדמיה לתעשייה.
תעשיית ייצור השבבים מתקדמת בקצב גבוה: כדי לעמוד בצרכים הגוברים, נמשך המאמץ להקטין ולצופף את ההתקנים, לשפר את ביצועיהם ולהקטין את צריכת ההספק שלהם. כמו כן, משתמשים גם בחומרים חדשים ומפתחים מבנים תלת-ממדיים עם גיאומטריות מורכבות. למשל, הטרנזיסטורים המתקדמים המיוצרים כיום הם תלת-ממדיים ורכיבי זיכרון מתקדמים גם הם תלת-ממדיים ובנויים מעשרות שכבות. כל אלה מהווים אתגרים לביצוע מדידות ובדיקות בקרת איכות הייצור בקווי הייצור, אתגרים הדורשים מענה כדי שקווי הייצור יוכלו להמשיך לייצר ביעילות ובתפוקות גבוהות.
על הרקע הזה הוקם מאגד MDM בשנת 2017 במסגרת תכנית מגנ"ט ברשות החדשנות. במישור האסטרטגי, מטרת המאגד הייתה להבטיח שתעשיית המטרולוגיה הישראלית תשמור על מעמד מוביל בעולם, בפרט לדורות החדשים של שבבים. במישור הטכנולוגי, מטרתו הייתה לבחון את ההיתכנות הטכנולוגית של מגוון רעיונות חדשים, ובכלל זה של טכנולוגיות המבוססות על היתוך מידע המגיע ממספר מקורות מידע.
במאגד השתתפו החברות אפלייד מטיריאלס ישראל, אינטל, נובה, ברוקר, ננומושן, אל-מול וננוניקס. מהאקדמיה השתתפו קבוצות מחקר מאוניברסיטאות בר אילן, בן גוריון, תל אביב, ממכון וייצמן ומהטכניון. עדיין מוקדם להעריך את ההצלחה האסטרטגית של המאגד, מכיוון שזמן הפיתוח של טכנולוגיות חדשות בתעשיית המטרולוגיה הוא ארוך מאוד ודרושות כ-5-10 שנים לפיתוח והטמעת מוצר חדשני בשוק. זמן הפיתוח הארוך והאתגרים הטכנולוגיים הם חסרון אבל יש להם גם יתרון. ד”ר משולח: "אמנם הקושי הטכנולוגי, הסיכון וזמן הפיתוח הארוך מעמידים רף כניסה גבוה מאוד המקשה על כניסת שחקנים חדשים, אך הרווח ממוצרים חדשניים הינו גבוה".
היתוך מידע המגיע מ-SEM, מ-OCD ומקרינת X-Ray
במישור הטכנולוגי הציג המאגד הצלחה יוצאת דופן: בשנה השלישית בוצעו 13 פרויקטים שהניבו 16 מאמרים אקדמיים ו-5 פטנטים הנמצאים בשלבים שונים של תהליכי רישום. ד”ר משולח: "פותח בין היתר גלאי השדה המגנטי הקטן והטוב ביותר מסוגו בעולם לשיפור ביצועי מיקרוסקופ אלקטרונים סורק, פותחה שיטה שהודגמה על מיקרוסקופ מסוג Atomic Force Microscope – AFM המהיר מסוגו בעולם, פותחו אלגוריתמים מסוג חדש של לימוד מכונה וטכנולוגיות חדשניות נוספות. מספר פרויקטים ושיתופי פעולה ימשיכו גם לאחר סיום פעולת המאגד".
ד"ר שי וולפלינג, סמנכ"ל טכנולוגיות (CTO) של חברת נובה, הסביר כיצד לימוד מכונה פותח אפשרויות חדשות בעולם המטרולוגיה. נובה מייצרת מערכות מדידה אופטיות המודדות גדלים בקו הייצור ((In-line. מדובר במדידה עקיפה: מאירים על מבנים בפרוסה באור עם ספקטרום רחב של אורכי גל, וחיישנים אוספים את האור המוחזר מהפרוסה (ספקטרום) ומודדים בכל אורך גל את העוצמה. במקביל, המערכת בונה מודל גיאומטרי תלת-ממדי משוער של המבנה הנבדק, ובאמצעות פתרון של משוואות מקסוול המתארות את החזר האור מהמבנה מחשבים את הספקטרום המוחזר הצפוי. משווים בין הספקטרום המדוד למחושב, ומבצעים שינויים במודל הגיאומטרי עד לקבלת התאמה מספקת בין הספקטרום הנמדד לספקטרום המחושב.
ד"ר וולפלינג: "כיום אנחנו מתחילים להשתמש בטכנולוגיה של לימוד מכונה. אם יש לנו סיגנל (ספקטרום) ויש לנו מדידת ייחוס כלשהי – אז במקום לפתור את משוואת מקסוול, אנחנו יכולים לחבר בין הספקטרום לבין מדידות הייחוס. הקצב בו התעשייה מאמצת פתרונות מטרולוגיה אופטית מבוססי לימוד מכונה (ML) מכפיל את עצמו בכל שנה. היתרון בפיתוח ואימוץ טכנולוגיות אלה, הוא הגברת רגישות האות, וקבלת תפוקה טובה יותר מבלי לפגוע ברמת הדיוק המטרולוגית. בנוסף, כיוון שמחזורי הפיתוח אצל הלקוחות קצרים יותר, קצב הטמעת הפתרונות חייב להתקצר בהתאם, והטמעת פתרונות מבוססי לימוד מכונה היא מהירה יותר מאשר הטמעה של פתרונות מבוססי מודלים פיסיקלים.
השילוב בין מודלים פיסיקליים מסורתיים עם יכולות לימוד מכונה, יחד עם קישוריות לביג דאטה, צפוי לשפר את היכולות המטרולוגיות בשנים הבאות. בתחום הזה הציגו צוותים מאפלייד מטריאלס ונובה הישג מרשים, כאשר הם קישרו בין מיקרוסקופ אלקטרונים סורק SEM של אפלייד מטיריאלס המשמש למדידת ייחוס, לבין מכונות המדידה האופטית מסוג OCD של נובה. הם הראו כיצד תוך שימוש באלגוריתם לימוד מכונה ניתן לשערך גדלים על-פני הפרוסה כולה בזמן קצר מאד, דבר שלא ניתן היה לעשות בכלים הקיימים כיום, גישה המאפשרת יישומים חדשים.
שיתוף פעולה דומה התקיים בין אפלייד מטיריאלס לבין חברת ברוקר שבמסגרתו שולבו מדידות ממכונות בדיקה מבוססות X-Ray של ברוקר עם מדידות ייחוס המגיעות ממיקרוסקופ אלקטרונים סורק SEM של אפלייד מטיריאלס. על-ידי כך הצליחו הצוותים מאפלייד מטריאלס וברוקר לשחזר באופן מדויק יותר את המבנה התלת-מימדי של דגמים גבוהים וצרים מאוד של זכרונות תלת-ממדיים ובהם חורים שעומקם גדול פי 50 מקוטרם.
חברת אל-מול פיתחה בשיתוף עם נובה ומכון וייצמן את גלאי היונים הטוב ביותר מסוגו בעולם, ובמכון וייצמן בשיתוף עם נובה פותחה שיטת מדידה אופטית המאפשרת זיהוי שכבות דקות שונות על פרוסה הנבדלות זו מזו בריכוזים קטנים מאד של הרכב חומרים.
מיקרוסקופ AFM המהיר בעולם והמגנטומטר הקטן והרגיש בעולם
שיתוף פעולה נוסף הביא לפיתוח שיטת בקרה למכשירAtomic Force Microscope – AFM בעל יכולות חסרות תקדים. מיקרוסקופ AFM נחשב למדויק מאוד לביצוע מדידות פני-שטח, אולם הוא איטי מאד. בשיתוף פעולה בין הטכניון, נאנומושן ואפלייד מטריאלס, פותחה והודגמה שיטת הנעה ובקרה מסוג חדש, המאפשרת מדידה ברזולוציה תת-ננומטרית במהירות סריקה גבוהה. מכלול ההנעה פותח על-ידי נאנומושן ואלגוריתם הבקרה שפותח בטכניון יושם בכרטיס FPGA מסחרי מהיר.
התוצאה: מיקרוסקופ AFM המאפשר מדידה של פני-שטח ברזולוציה גבוהה ובמהירות גבוהה, ומדידה תלת-ממדית של מבנים ברזולוציה נמוכה יותר אולם עדיין מהירה בקנה מידה תעשייתי. שיתוף פעולה נוסף בין נובה, נאנומושן ובר אילן בנושא ראמן הוליד מכלול הגברה ייחודי של מיקרו-מהוד שפותח על-ידי חברת נאנומושן.
קבוצות אחרות מבר אילן ובן גוריון, ובשיתוף עם אפלייד מטריאלס פיתחו את גלאי השדה המגנטי הקטן והרגיש מסוגו בעולם. הוא נועד להתמודד עם בעיה מפתיעה: מערכות המטרולוגיה במפעלי הייצור נמצאות בסביבות עבודה בהן השדות המגנטיים נמוכים מאד, אולם לעיתים בסביבת העבודה נוצרות הפרעות מגנטיות בלתי צפויות. אלה עלולות לגרום להסטה בלתי רצויה של קרן האלקטרונים בתוך מיקרוסקופ אלקטרונים סורק SEM, כאשר גם שדות מגנטיים קטנים מאוד יכולים לגרום לעיוות התמונה ולפגוע במדידה.
במסגרת הפרוייקט, פותח חיישן המבוסס על תופעת Planar Hall Effect. הוא בנוי מחומר פרו מגנטי אשר משנה את התנגדותו למעבר זרם כפונקציה של שינויים בשדה המגנטי. באמצעות תכנון מיוחד ושימוש ברכזי שטף מגנטי, בנו החוקרים מבר אילן ובן גוריון גלאי זעיר, בגודל של כ-15 על 15 על 3 מ"מ בעל רגישות של 5 פיקו טסלה לשורש הרץ – פי 10 מהחיישן מסוג זה הרגיש ביותר בעולם. חברת אפלייד מטיריאלס בוחנת את ביצועי הגלאי וכיצד ניתן לשלב אותו בתוך מערכות SEM של החברה, וזאת על-מנת למדוד את ההפרעות בשדה המגנטי ולבצע תיקונים של מיקום קרן האלקטרונים הסורקת.
הדוגמאות האלה הם רק חלק קטן מהישגי המאגד. המדען הראשי במשרד הכלכלה והתעשייה ויו"ר רשות החדשנות, ד"ר עמי אפלבאום, ברך את המשתתפים בכנס הנעילה של המאגד, ואמר שהוא הוכיח שחברות ישראליות מתחרות יכולות לשתף פעולה בפיתוח טכנולוגיות גנריות משותפות. "כשרואים את מה שהצלחתם לעשות, חייבים להודות שהדבר אפשרי", אמר.
