סין בונה את שכבת המדידה של עידן ה־EUV — אבל הדרך לייצור המוני עדיין ארוכה

ייצור שבבים מתקדמים דוחף את עולם הבדיקה אל מבנים תלת־ממדיים מורכבים יותר ואל פגמים זעירים יותר. ליתוגרפיית EUV משתמשת באורך גל של 13.5 ננומטר, בעוד שמערכות מדידה אופטיות מסורתיות בתחום ה־DUV משתמשות בין היתר ב־193 וב־248 ננומטר. ככל שהממדים הקריטיים, פגמי המסכות והמבנים התלת־ממדיים של הטרנזיסטורים מצטמצמים, מערכות הבדיקה נדרשות לשלב רזולוציה גבוהה, מהירות, פעולה ללא מגע ונזק מזערי לדגימה.5532

חשוב להבהיר: מה שמתגבש בסין אינו מכונת EUV מקומית שכבר הוכחה בייצור המוני. מדובר באקוסיסטם טכנולוגי סביב מדידת EUV — מקור אור, מראות מחזירות, מערכות ואקום, גלאים, במות תנועה מדויקות, אלגוריתמים ותוכנות בקרת תהליך. ההישג התעשייתי האמיתי ייקבע לפי היכולת לחבר את כל הרכיבים למערכת שפועלת לאורך זמן, ניתנת לכיול ומספקת נתונים שניתנים להשוואה ישירה לתוצאות הייצור במפעל השבבים.

מדוע טרנזיסטורי GAA דורשים בדיקת EUV מתקדמת יותר

המעבר מטרנזיסטורי FinFET לטרנזיסטורי Gate-All-Around ‏(GAA) הופך את המבנה למרחבי ומורכב יותר. הערוץ, השער והממשקים בין החומרים עשויים להיות מוסתרים חלקית מתחת לשכבות אחרות. לכן, שיטה שמסתכלת רק על פני השטח מתקשה למדוד את הממד הקריטי, את פרופיל הדפנות, את הסטת השכבות ואת הפגמים הקבורים. דיווחים פומביים מציגים את מבני ה־GAA כאחד הגורמים שמאיצים את הצורך בבדיקה לא־פולשנית וברזולוציה גבוהה.8

היתרון של אור באורך גל 13.5 ננומטר אינו מסתכם בכך שהוא "קצר יותר". במדידות פיזור, עוצמת האות מושפעת מאוד מגודל הפגם ומאורך גל התאורה. קיצור אורך הגל עשוי לשפר את הרגישות לפגמים ננומטריים, אך התוצאה הסופית תלויה גם בהספק המקור, באיכות האופטיקה, ברעש הגלאי, בחומר הדגימה ובאלגוריתם שחוזר מהאות אל המבנה.18

מדידות EUV יכולות להשתמש בסקטרומטריית פיזור, בדימות דיפרקציה קוהרנטי (CDI) ובדימות החזרי. במקום לגעת בפרוסה באמצעות גשושית, המערכת מנתחת את אותות הדיפרקציה ומסיקה מהם את פרמטרי המבנה. במעבדה הלאומית האמריקאית לתקנים וטכנולוגיה (NIST) השתמשו במקור HHG שולחני למדידות דיפרקציה של מבני קווים ומרווחים הקטנים מ־50 ננומטר; מחקר נוסף הראה שמדידת פיזור ב־EUV רגישה למאפיינים מחוץ למישור ברמת רגישות של ננומטר יחיד.3334

מדוע מסכות דורשות בדיקה באותו אורך גל

מסכת EUV אינה לוח שקוף פשוט, אלא מבנה מורכב הכולל שכבות מחזירות רבות. פגם פאזה מסוים עשוי להיראות לא משמעותי באורך גל שאינו משמש לחשיפה, אף שהוא עלול לעבור בפועל אל הפרוסה. לכן המונח "בדיקה אקטינית" (actinic inspection) מתייחס בדרך כלל לבדיקה באותו אורך גל של החשיפה — 13.5 ננומטר — כדי להעריך באופן ישיר יותר אם הפגם ניתן להדפסה. מחקרים מציינים שבדיקה באורך גל זה חשובה במיוחד לזיהוי פגמי פאזה בשכבות המרובות של מסכות EUV.48

זו אחת הסיבות לכך שמקורות HHG זוכים לתשומת לב. הם יכולים להפיק אור EUV בעל קוהרנטיות מרחבית וזמנית, המתאים למיקרוסקופיית פיזור קוהרנטית, למדידות דיפרקציה ולדימות ללא עדשות. מסמכים פומביים של סמסונג תיארו מערכת לבדיקת־חוזר של פגמי מסכות EUV, המבוססת על מקור HHG נפרד. הדבר מראה ש־HHG כבר נכנס לדיון הטכנולוגי סביב מערכות ייעודיות לבדיקת מסכות ולמחקר.42

ארבעה נתיבים למקור EUV — ולכל אחד מחיר אחר

LPP: יתרון בהספק, מורכבות הנדסית גבוהה

במקור פלזמה המופקת בלייזר (LPP), לייזר רב־עוצמה פוגע בטיפות בדיל נוזלי ויוצר פלזמה שמפיקה EUV באורך גל של 13.5 ננומטר. זו התצורה הבסיסית המשמשת במערכות ה־EUV המסחריות של ASML.55

היתרון העיקרי של LPP הוא הספק מוצא שמתקרב יותר לדרישות של ליתוגרפיה ושל בדיקה בקצב גבוה. המחיר הוא מערכת מורכבת ויקרה: לייזר הנעה רב־עוצמה, שליטה בטיפות הבדיל, מניעת חלקיקים, הגנה על מראות הקולט, ניהול חום ותחזוקה שוטפת. עבור ציוד בדיקה, LPP עשוי לספק מרחב גדול יותר לתפוקה; עבור חברות צעירות, הוא מעלה משמעותית את דרישות ההון, ההנדסה והשירות.

DPP: מועמד קומפקטי יותר

מקור פלזמה המופקת בפריקה חשמלית (DPP) יוצר את הפלזמה באמצעות פריקה. הוא עשוי להיות קומפקטי יותר ממתקני מאיץ גדולים ולהתאים לחלק מדרישות ההספק של מערכות מדידה. דיווחים מסין מונים את DPP כאחד הנתיבים המקומיים הנבחנים.1726

עם זאת, נותרו אתגרים כמו שחיקת אלקטרודות, חלקיקים, יציבות הפלזמה, אורך חיי המקור ותחזוקה לאורך זמן. השאלה אם DPP מתאים לפס ייצור אינה רק אם הוא מסוגל לייצר אור 13.5 ננומטר, אלא אם הוא יכול לפעול ברציפות ולעמוד במחזורי התחזוקה שמפעל שבבים דורש.

FEL וסינכרוטרון: מצוינים למחקר, פחות מתאימים לרצפת הייצור

לייזר אלקטרונים חופשיים (FEL) ומקורות סינכרוטרון מספקים בהירות גבוהה, קוהרנטיות ויכולת כוונון. לכן הם מתאימים למדידות ייחוס, למחקר חומרים, לניתוח מסכות ולפיתוח תהליכים. אך לרוב הם דורשים מתקני מאיץ גדולים, יקרים ומורכבים — תנאים שאינם מתאימים להצבה ישירה ברוב קווי הייצור.

לכן סביר שמקורות מאיץ ימלאו בתחילה תפקיד של "תקן" ופלטפורמת מחקר, ויספקו נתוני השוואה איכותיים למערכות מדידה קומפקטיות יותר, ולא יחליפו מיד את ציוד הייצור.

SSMB: כיוון ארוך־טווח להספק ממוצע גבוה

הגישה של מיקרו־צבירים במצב יציב (SSMB), שמובילה אוניברסיטת צינגחואה, משתמשת באלומת אלקטרונים בתוך טבעת אחסון. הלייזר מווסת את האלומה בתוך אונדולטור, וכך נוצרת חלוקה מחזורית עדינה — מיקרו־צבירים — שנשמרת לאורך סיבובי האלקטרונים בטבעת. עבודת הוכחת־העיקרון של צינגחואה הדגימה את המנגנון הבסיסי, ובהמשך הוצעו תכנונים לקרינת EUV באורך גל של 13.5 ננומטר, בהספק ממוצע גבוה וברוחב פס צר.124

האטרקטיביות של SSMB נעוצה בניסיון לשלב את קצב החזרה הגבוה של טבעת אחסון עם הבהירות והקוהרנטיות של קרינה קוהרנטית. מסמכי תכנון מציבים יעד של יותר מקילוואט לכל כלי, אך מדובר ביעד מחקרי והנדסי — לא במקור שכבר נבנה, שולב במערכת ייצור ואושר במפעל שבבים.310

המכשולים כוללים יציבות אלומת האלקטרונים, שליטת המודולציה בלייזר, בקרת טבעת האחסון, איכות האלומה, ממדי המתקן ועלות המערכת. לכן SSMB נראית יותר כנתיב שעשוי לשנות בעתיד את אספקת ה־EUV בהספק גבוה, ולא כפתרון שולחני שניתן לפרוס במהירות במערכות מדידה.

מדוע HHG היא מועמדת מרכזית למדידה בדור הבא

ביצירת הרמוניות מסדר גבוה (HHG), ממקדים פולס לייזר באורך פמטו־שניות בגז או במדיום אחר ומפיקים הרמוניות בתחום ה־EUV ועד קרני הרנטגן הרכות. בהשוואה למקורות פלזמה המבוססים על בדיל, ל־HHG יש כמה מאפיינים בולטים:

• פוטנציאל למערכת שולחנית: אין צורך במתקן סינכרוטרון גדול, ולכן ניתן להתאימו למעבדה או לציוד מדידה ייעודי;
• קוהרנטיות גבוהה: תכונה חשובה לדימות דיפרקציה קוהרנטי, לסקטרומטריית פיזור, לפטיכוגרפיה ולבדיקת מסכות;
• גמישות באורך הגל: אפשר לבחור תחומי גל שונים בהתאם לחומר, למבנה ולמודל המדידה;
• פחות סיכון לחלקיקי בדיל: המקור אינו מבוסס על פלזמת טיפות בדיל, ולכן עשוי להפחית את עומס בקרת הזיהומים הקשור לכך;
• מאפיינים אולטרה־מהירים: מתאימים למדידות תלויות־זמן ולמחקר חומרים.3544

HHG מתאימה במיוחד ליישומים שזקוקים לקוהרנטיות גבוהה אך אינם דורשים בהכרח הספק ברמה של כלי ליתוגרפיה. NIST כבר השתמשה במקור HHG שולחני למדידות דיפרקציה של ממדים קריטיים ב־EUV, ומחקרים נוספים מציבים את HHG בכיוון מרכזי של מדידה ודימות ב־EUV.3335

אך החסרונות ברורים: יעילות ההמרה וההספק נמוכים יחסית, והיציבות, קצב החזרה, ההפסדים האופטיים, הפעולה הרציפה והתפוקה בסריקה של שטחים גדולים עדיין דורשים שיפור. ניתוח הנדסי של בדיקת מסכות EUV בגודל מלא העריך כי יישומים מסוימים עשויים לדרוש הספק מקור של כ־1 עד 100 מיליוואט. הדרישה משתנה לפי רגישות הפגם, שטח הסריקה, יחס האות־לרעש והתפוקה, ולכן אי אפשר להתייחס למספר יחיד כסף אחיד לכל מערכות הבדיקה.51

פרסומים פומביים מציינים כי ASML, אינטל, סמסונג ו־TSMC השתמשו או בחנו טכנולוגיות מדידה ובדיקה הקשורות ל־HHG.1824 עם זאת, אין לפרש זאת כהוכחה ש־HHG כבר החליפה את מקורות הפלזמה בכל מערכות הבדיקה בקצב ייצור גבוה. הראיות הפומביות חזקות יותר לגבי כלי פיתוח, מחקר לבדיקות אקטיניות ומערכות מדידה ייעודיות.

האקוסיסטם המקומי בסין: מהמקור ועד שילוב המערכת

דיווחים פומביים מציינים חברות סיניות כמו Huaxin Aurora, Langdao Technology, Yunqi Jiyao, Huari Laser ו־Haoyu Xinguang. לפי אותם דיווחים, החברות פועלות בחלקים שונים של השרשרת — ממקורות ולייזרים ועד ציוד ושילוב מערכות — כאשר Haoyu Xinguang מתמקדת בעיקר בנתיב ה־HHG.17

בקרב האוניברסיטאות ומכוני המחקר, פרויקט ה־SSMB של אוניברסיטת צינגחואה הוא אחד מנתיבי מקור המאיץ המתועדים ביותר בפומבי. הוכחת־העיקרון בוצעה בשיתוף מרכז הלמהולץ בברלין וחוקרים ממכון המדידה הלאומי של גרמניה, עובדה שממחישה עד כמה התחום נשען על ידע עמוק בפיזיקת מאיצים ובמדידה מדויקת.214

אקוסיסטם מקומי בר־קיימא חייב להשלים גם את החלקים שאינם מקור האור עצמו:

• מראות מחזירות רב־שכבתיות, תאי ואקום ובקרת זיהומים;
• גלאים, במות תנועה מדויקות, יישור, כיול ומטרולוגיית קרינה;
• מודלים של פיזור, שחזור תמונה, סיווג פגמים ותוכנות בקרת תהליך;
• מצעי מסכות, שכבות מגן, פוטורזיסטים ומבני בדיקה לתהליכי פרוסות;
• שיתוף פעולה עם מפעלי שבבים כדי לקשר בין תוצאות המדידה לבין ההדפסה בפועל, התכונות החשמליות והתפוקה.

במילים אחרות, אי אפשר למדוד את מידת המקומיות רק לפי מספר החברות שמפתחות מקורות EUV. צריך לבדוק אם נוצרו מערכת שלמה שניתן לספק, תשתית כיול יציבה ומעגל נתונים אמיתי שמחבר את המדידה לתהליך הייצור.

חמש הדלתות הקשות בדרך מאב־טיפוס לכלי ייצור

1. הספק שימושי ותפוקה

ההספק שהמקור מייצר אינו שווה להספק שמגיע לדגימה, נאסף באופטיקה והופך לבסוף לאות שימושי. כלי הבדיקה צריך לאזן בין רגישות לפגמים, שטח סריקה, זמן חשיפה ורעש.

2. יציבות לאורך זמן

מפעל שבבים זקוק לכלי שעובד באופן עקבי לאורך משמרות וחודשים, לא למערכת מעבדה שמפגינה ביצועים טובים לפרק זמן קצר. אורך הגל, המינון, כיוון האלומה, הקוהרנטיות ותגובת הגלאי צריכים להיות ניתנים לניטור, לכיול ולתחזוקה.

3. אורך חיי המקור והמערכת

רכיבי פלזמה, לייזרים, מערכות ואקום, מראות וגלאים משפיעים כולם על מרווחי התחזוקה. זיהום מחלקיקים, הידרדרות אופטית ועלות החלפת רכיבים קריטיים ישפיעו ישירות על עלות הבעלות של הציוד.

4. קשר מוכח לתוצאות הפרוסה

תמונה ברזולוציה גבוהה אינה המטרה הסופית. המערכת צריכה להוכיח שהממדים הקריטיים, שגיאות ההצבה או מאפייני הפגם שהיא מודדת אכן מנבאים את תוצאת ההדפסה, את ביצועי הרכיב ואת התפוקה. ללא קשר כזה, קשה לשלב את נתוני הבדיקה בלולאת בקרת הייצור.

5. שילוב תהליך ותוכנה

בדיקת EUV צריכה להתאים למסכות, לפוטורזיסטים, לשכבות דקות, לטופוגרפיית הפרוסה, למערכות שינוע אוטומטיות, לממשקי נתונים ולמערכות בקרת התהליך במפעל. מחזורי הסמכה ארוכים, בדיקות השוואתיות ונתוני הפעלה מהשטח עשויים לקבוע את המסחור יותר מהדגמה בודדת במעבדה.3050

איך נדע אם מדידת ה־EUV בסין באמת הבשילה

המדד החשוב בעתיד לא יהיה רק אם צוות מסוים הכריז שהפיק אור באורך גל של 13.5 ננומטר. יש לבחון נתונים שניתנים לאימות: האם קיימים נתוני פעולה רציפה; מהו ההספק השימושי בדגימה ומהי תפוקת הסריקה; האם תוצאות זיהוי הפגמים ניתנות לכיול; האם נוצר קשר בין המדידה לבין תוצאות אלומת אלקטרונים, סינכרוטרון או בדיקות חשמליות של הפרוסה; והאם מפעל שבבים השלים תקופת ניסוי והסמכה ממושכת.

לפי המידע הפומבי הקיים, הנתיב הסביר הוא מדורג: HHG עשויה להיכנס תחילה למחקר, לבדיקות מסכות ולמערכות מדידה ייעודיות; DPP ומקורות פלזמה קומפקטיים יותר עשויים להתמודד עם חלק מהיישומים המקוונים; מקורות סינכרוטרון ו־SSMB ימשיכו לשמש למחקר מתקדם ולמטרולוגיה; ו־LPP תישאר חשובה בתרחישים הדורשים את ההספק והתפוקה הגבוהים ביותר.

לכן אפשר לומר שאקוסיסטם סיני למדידת EUV אכן מתחיל לקבל צורה, אך המרחק בין "אקוסיסטם מתהווה" לבין "ייצור המוני" עדיין משמעותי. האתגר המכריע אינו רק לייצר אור באורך גל של 13.5 ננומטר, אלא לשלב מקור, אופטיקה, גלאים, אלגוריתמים, חומרי תהליך ואימות במפעל שבבים לכלי ייצור אמין שפועל לאורך זמן.