Nova ELIPSON™ שהשיקה חברת נובה היא המערכת הראשונה בעולם הפועלת באמצעות טכנולוגיית רמאן שנכנסת למפעלי יצור שבבים
חברת נובה, העוסקת בפיתוח פתרונות מטרולוגיה בקרת תהליכי ייצור בתעשיית המוליכים למחצה, השיקה לאחרונה מוצר חדש, Nova ELIPSON, למדידת תכונות חומרים שהביא לשוק הסמיקונדקטור יכולות שלא היו אפשריות עד היום. מאחורי המוצר עומדת טכנולוגיה שגילויה, לפני למעלה מ-90 שנה, זיכה את צ’נדרסקרה ונקטה רמאן בפרס נובל. אז מה בעצם עושה טכנולוגיה משנות העשרים של המאה הקודמת במוצר מהפכני שזה עתה הושק? איך לוקחים טכנולוגיה שחיה במעבדות בלבד והופכים אותה לחלק מתהליך ייצור המוני ולמה מדובר במוצר כל כך ייחודי?
כדי לענות על השאלות הללו, צריך קודם כל להבין את המכניזם הבסיסי של האבולוציה של שבבי המחשב. הדינמיקה של תעשיית המוליכים למחצה מחייבת שיפורי ביצועים משמעותיים בכל דור חדש של טכנולוגיה שמוצג לשוק. חוק מור, שהכתיב מזעור מימדים ושינוי הארכיטקטורה במשך שנים ארוכות, החל להראות סימני כניעה למגבלות חוקי הפיסיקה, ויצר תחושת איום בתעשייה. לאן מתקדמים כשאי אפשר למזער יותר? אלא שמתוך האיום, נולדה הזדמנות לפרץ של חדשנות שכלל תכנון מגוון של השבבים, פניה לתלת-מימד, הכלת עקרונות פעולה ומנגנונים פיסיקליים חדשניים והתאמת התכנון של כל טרנזיסטור למטרה הספציפית שלשמה נוצר.
כך נכנס לתמונה גם שימוש מגוון ביותר בחומרים, תרכובות וסגסוגות, כתוספת אפקטיבית להשגת שיפורים מהותיים בביצועי השבבים. בהתקנים מתקדמים מבוצעת שליטה מכוונת בתכונות חומרים אלו. טרנזיסטורים נבנים עם לחץ מובנה שחיוני לתפקודם, התקני זכרון מתבססים על פאזות החומרים ועל המאפיינים המדויקים של המעברים בין פאזות אלו, שליטה עדינה בריכוז החומרים בחומרים מבודדים ובסגסוגות שמשפיע על התכונות החשמליות ועוד. כל החידושים הללו מחייבים בתורם, גם יכולות בקרת תהליכי יצור תואמות ובכלל זה, פתרונות מטרולוגיה המאפשרים יכולות מדידת חומרים מתקדמות.
תמונה 1: מכניזם רמאן בפעולה
מאז גילויה ב-1928, ספקטרוסקופיית רמאן (Raman Spectroscopy- או RS בקיצור) נכנסה לשימוש במגוון רחב של שימושי מחקר ודיאגנוסטיקה. תגליות טכנולוגיות מקבילות, ובמיוחד הלייזר, הפכו את ה-RS לנגישה ושימושית אפילו יותר למגוון תחומי מחקר ואקדמיה כמו מדעי החיים, גיאולוגיה ומדעי החומר. בשנים האחרונות זכתה ה-RS לסוג של רנסנס מדעי, הנובע מהזמינות ההולכת וגדלה של מקורות לייזר העומדים בדרישות היציבות ורוחב הפס המחמירות של הטכנולוגיה, שיפורים בטכנולוגיות ספקטרומטריה, פילטרים וגלאים מתקדמים ברמת אמינות גבוהה ועוד. חשובה מכל היא העובדה שהרכיבים הקריטיים ליישום ה-RS הפכו זמינים הרבה יותר, מה שהוביל לשילובה של הטכנולוגיה במגוון יישומים תעשייתיים. כיום, תוכלו למצוא את טכנולוגיית RS בתעשיות הפטרוכימיות, תעשיית התרופות ואפילו בתהליכי זיהוי פלילי. ועם זאת, בשל הדרישות הגבוהות במיוחד לדיוק, יציבות ואמינות במטרולוגיה המיושמת בתעשיית המוליכים למחצה, לא זכתה הטכנולוגיה לאימוץ משמעותי במפעלי השבבים וזאת למרות שיש לה יכולת ייחודית לזהות תכונות חומרים. רק לאחרונה הצליחה נובה לפתח את השיפורים הנדרשים בחומרה ובאלגוריתמיקה ולמצוא דרך חדשנית ליישם את הטכנולוגיה במערכות מטרולוגיה, ברמת האמינות והיציבות הנדרשת בתעשיית השבבים המתוחכמת.
אז מה בעצם טכנולוגית RS יודעת לעשות ואיך היא עובדת?
ראמאן היא טכניקת ספקטרוסקופיה המשתמשת בתנודות של חומר (ויברציות) כדי לזהות תכונות חומר כגון מתח, גבישיות, פאזות, גודל גרעיני פולי-גביש והרכב החומר. במילים אחרות- כלי שמאפשר למדוד תכונות של חומר באמצעות אור. הטכנולוגיה בנויה על ירי של קרן לייזר לדוגמת חומר. אחד מכל מיליון פוטונים מתוך הקרן הפוגעת בדוגמה, משקיע חלק מהאנרגיה שהוא נושא ביצירת תנודות בחומר וכתוצאה מכך לפוטון המוחזר יש רמת אנרגיה מופחתת ואורך גל – כלומר צבע – שונה, המתאים לתדר התנודה. התנודות מושפעות מהתכונות של האטומים והמולקולות – תצורת הגביש, מתח המבנה, הרכב הדוגמה ועוד. על ידי מדידת הצבע של הפוטונים המוחזרים, אנחנו יכולים למעשה לדעת אילו תכונות יש לכל חומר בדוגמה הנבדקת.
אה, פשוט, נכון? אז זהו שלא. משום שיש ל-RS כמה מאפיינים שחשוב להכיר:
אות הרמאן חלש מאוד בגלל מספר הפוטונים הקטן שניתן למדוד- מה שמחייב שימוש בחיישנים שמקוררים למינוס 80 מעלות צלזיוס, בעלי רגישות גבוהה במיוחד, ובמדידות שלוקחות הרבה זמן. לרוב הטכנולוגיה משמשת למדידות איכותיות של מבנה מולקולרי ורכיבי חומר, ופחות מותאמת למדידות כמותיות בדיוק גבוה כמו אלה הנדרשות בייצור המוני של שבבים. ועוד עניין- פענוח מדידת רמאן לרוב יבוצע ע”י מומחה מנוסה וילווה בדיון במשמעות המדידות ותרגום כל אלמנט המתקבל בספקטרום לתכונות הפיסיקאליות של החומר. במילים אחרות- מה בעצם המשמעות של התוצאה שקיבלנו.
תמונה 2: הטמעת רמאן במערכת Nova ELIPSON™
הסוד לשילוב טכנולוגיה מועילה ומורכבת כל כך לביצוע בבקרת תהליכי ייצור של שבבים, טמון ביכולת לקחת כלי מעבדה שיודע לעבוד בנפחים קטנים ובאיטיות- ולבנות ממנו מערכת מתוחכמת ויעילה שמסוגלת להתמודד עם מאות פרוסות לייצור שבבים בשעה. כזו שיודעת גם לפרש בעצמה את המידע המתקבל מהספקטרום ולהמיר אותו לפרמטרים מטרולוגיים רלוונטיים, תוך התבססות על חוקים אמפיריים, מודלים פיסיקליים ואלגוריתמים של למידת מכונה. וכל זה, כדי שהלקוח יקבל מידע קריטי באופן אוטומטי ובזמן אמת על התאמות נדרשות בתהליך, שאותן גם ניתן לבצע באופן אוטומטי, במקום להמתין ימים ארוכים ויקרים לקבלת הנתונים ויישומן בתוך תהליך הייצור.
כדי לבנות מערכת מטרולוגיה לייצור המוני, כזה שמתקיים במפעלי הענק לייצור שבבים של היצרנים המובילים בעולם, נדרש זינוק תפיסתי ותכנוני של ממש במעבר בין כלי המסוגל לבצע מדידות בתנאי מעבדה ובין מכונה שתעמוד בדרישות הייחודיות (ולעיתים קיצוניות) שנוצרות בסביבת ייצור של מפעל. כל טכנולוגיה חדשה שנכנסת למפעל שבבים, חייבת לעמוד בדרישות של רגישות ודיוק על מנת למדוד את השינויים המזעריים בתהליך הייצור ולעשות זאת שוב ושוב בסטייה מינימלית, ותוך עמידה בקצב המהיר והמתגבר של תהליך הייצור. כדי להשיג זאת יש צורך בביצוע אפיון ומדידה של אלפי דוגמאות מכל סוג בדיקה ובשפה המקצועית- אפליקציה על מנת להסיק על מערכת הקשרים הקבועה בין מדידות הרמאן ובין התכונות הפיסיקליות של הדוגמה- ולבנות מודלים פיסיקליים ומודלים של למידת מכונה כדי לתמוך במערך המידע המורכב הזה.
תמונה 2: הטמעת רמאן במערכת Nova ELIPSON™
בנוסף, המערכת המוצבת במפעל חייבת להיות יציבה ביותר, ולעבוד ללא הפסקה במינימום של הפרעות ותקלות וכל זמן המוקדש לתחזוקה חייב להיות קצר ביותר. הכלי צריך להיות מסוגל לעמוד בתנאים מאתגרים ובכלל זה שינויי טמפרטורה, תנודות ורעשים הנגרמים כתוצאה מהעבודה בסביבת ייצור. ואם כל זה לא מספיק – המערכת צריכה להיות מסוגלת לבצע מגוון רחב של בדיקות על מנת להפוך את עלותה, למשתלמת עבור היצרן.
Nova ELIPSON™ הוא פתרון מהפכני למדידת חומרים בתהליך ייצור השבבים שהצליח לפצח את האתגר. הפלטפורמה החדשה מיועדת למדידת מגוון תכונות חומרים כגון לחץ (stress) , מעוות (strain), פאזה, הרכב ופני-שטח בשבבים מסוגים שונים והיא למעשה המערכת הראשונה בעולם הפועלת באמצעות טכנולוגיית רמאן שנכנסת למפעלי יצור שבבים, עומדת בדרישות הקיצוניות של התעשייה לעבודה בקווי ייצור ומאפשרת יכולות פורצות דרך שלא היו זמינות עד היום במערכות המטרולוגיה הקיימות.
תהליך הפיתוח שממנו נולדה פלטפורמת Nova ELIPSON™ החל לפני לא פחות משבע שנים, כמחקר מדעי במעבדה שלנו, עם חוקר בחצי משרה וצמח לאט ובהדרגה לפרויקט שעליו עובדים עשרות אנשים- פיזיקאים, אופטיקאים, אלגוריתמאים, מהנדסי תוכנה וחומרה- ולמוצר שכבר משולב בתהליכי ייצור סדרתי אצל יצרנים מובילים. המערכת מסוגלת למדוד תכונות חומר במגוון רחב של התקנים, לדוגמה מדידת מעוותים ומשקעים בטרניזיסטורים ובנאנו-חוטים המשולבים במעבדים המתקדמים ביותר, מדידת פאזות ומבנים מולקולריים בהתקני זיכרון עתידיים מסוגmemory phase change, או מדידה של הרכב החומר המדויק בשכבות של שבבי DRAM. וזו היא רק ההתחלה.
