פתרון קליטת הנתונים של ADI‏ זוהר בייצור שבבים עם ליטוגרפיה מתקדמת

שוק הציוד לייצור מוליכים-למחצה (SME) צפוי לחוות צמיחה משמעותית בחמש השנים הקרובות, המונעת מהגידול הצפוי במכירות שבבי מוליכים-למחצה מ-600 מיליארד דולר ב-2022 ל-1 טריליון דולר ב-2030. החיישנים נמצאים בלב מערכות הליטוגרפיה המתקדמות המשמשות בייצור שבבים.

ייצור שבבי המוליכים-למחצה המורכבים, בעלי הביצועים הגבוהים - והקטנים מתמיד - מסתמכת במידה רבה על תהליכים ליטוגרפיים מדויקים ורגישים ביותר, המסייעים בהדפסת תבניות מורכבות על פרוסות סיליקון ומצעים אחרים המשמשים בייצור שבבים.

מערכות ליטוגרפיה מתקדמות משתמשות בטכניקות מדויקות ורגישות במיוחד, אשר לא רק משפרות את תפוקת התהליך אלא גם ממזערות את הפסולת וממטבות את יעילות המפעל. כדי להשיג את הדיוק התת-מיקרוני והננומטרי החיוני עבור ייצור המוני של מעגלים משולבים (ICs), מערכות אלו מסתמכות על אלפי חיישנים עבור ניטור ובקרה של מיקום, טמפרטורה, אנרגיה ותנועה.

ביצועי המערכת הכוללים מסתמכים על הביצועים המדויקים והחוזרים-ונשנים של כל חיישן בודד. אלגוריתמים מתקדמים מפענחים כמויות גדולות של נתוני חיישנים ומתאמים את השינויים הדרושים בדרכים מינוריות מאוד אך מפורטות באמצעות אלפי מפעילים (Actuators‏).

.Analog Devices, Inc‏ (ADI‏) ממנפת את טכנולוגיית מיקרו-מודול (μModule‏) של שרשרת האותות שלה כדי לספק פתרונות קליטת נתונים אנלוגיים-דיגיטליים (DAQ) ממוזערים בעלי ביצועים גבוהים עבור ניטור ובקרה של תתי-מערכות הליטוגרפיה לייצור מוליכים-למחצה, כדי לעמוד באתגרי הייצור של יצרני פרוסות סיליקון והתקנים משולבים.

רקע היישום

המזעור המתמשך של מוליכים-למחצה מוביל לשיפורי ביצועים בכל דבר, החל מסמארטפונים ועד מחשבי-על, ודרישות העיבוד של בינה מלאכותית גנרטיבית (GenAI‏), מחשוב קוונטי, IoT ומחשוב קצה. נדרשים תהליכים מתקדמים ומערכות בקרה חדשניות כדי לעמוד בדרישות של יותר ויותר מזעור של מוליכים-למחצה עם מעגלים הצרים עד כדי 1 חלקי 10,000 מרוחב שערת אדם.

ליטוגרפיה היא טכנולוגיית יסוד בייצור מוליכים-למחצה המאפשרת תבניות מאפיינים מדויקות על גבי סיליקון ופרוסות מצע אחרות ליצירת ICs. הטכנולוגיה משתמשת בפוטו-מסכות ובקרינה או בקרני אור חזקות ומדויקות ביותר כדי להעביר את הפרטים של תבנית תכן השבב על גבי פרוסות מוליכים-למחצה המצופות בחומר פוטו-רזיסט. הפוטו-רזיסט מגיב לאור, והפרוסה מטופלת בכימיקלים כדי לצרוב את נתיבי המעגלים במצע הפרוסה. מספר פוטו-מסכות משמשות בתהליך בניית השכבות.

מערכות ייצור מוליכים-למחצה ליטוגרפיות ייחודיות ומורכבות ביותר מיוצרות על ידי מספר קטן מאוד של חברות המסוגלות להתמודד עם האתגרים הטכניים ולממן את המו"פ היקר הדרוש לחדשנות מתמשכת בתחום זה.

חברת ASML‏ היא המובילה בתעשייה, ושולטת בשוק הליטוגרפיה המתקדמת עם מערכות אולטרה-סגול קיצוני (EUV‏) הבלעדיות והמתקדמות-ביותר שלה, החיוניות עבור ייצור השבבים המתקדמים ביותר. בעלות של עד מאות מיליוני דולרים, המערכות המתקדמות ביותר של החברה מאפשרות כעת ייצור של שבבים בעלי גודלי מאפיינים הקטנים מ-2 ננומטר, ומעניקים יותר טרנזיסטורים לכל שבב ומרווח קטן יותר בין הטרנזיסטורים. היא גם מספקת מערכות אולטרה-סגול עמוק (DUV‏) המשתמשות באורכי גל ארוכים יותר המתאימים לייצור חסכוני יותר של שכבות תחום-ביניים ושכבות דורות-קודמים על שבבים המיוצרים ב-14 ננומטר, 28 ננומטר וצמתים גדולים יותר.

מערכות ליטוגרפיות אחרות לייצור מוליכים-למחצה מיוצרות על ידי Canon‏ ו-Nikon‏, המתמקדות בליטוגרפיית DUV וטכנולוגיות דורות-קודמים עבור ייצור צמתים פחות מתקדמים המשמשים ב-MEMS, מוליכים-למחצה להספק ויישומים תעשייתיים.

השגת דיוק גבוה ביותר

תהליכי ליטוגרפיה דורשים דיוק רב כדי להשיג תבניות בקנה-מידה תת-מיקרוני. חיישנים ומפעילים (Actuators‏) הם קריטיים לשמירה על דיוק ותפוקה, ומאפשרים התקדמות טכנולוגית מתמידה בפיתוח של מוליכים-למחצה קטנים יותר, חזקים יותר וחסכוניים באנרגיה.

חיישנים ממלאים תפקיד מרכזי בבקרת מפעילים, ומעניקים משוב, תיקון שגיאות וקיזוז סביבתי בזמן-אמת:

• חיישני מיקום מודדים את המיקום המדויק של פרוסות, פוטו-מסכות ועדשות
• חיישני רעידות מגלים ומפצים על רעידות העלולות להפריע ליישור
• חיישני סביבה מנטרים טמפרטורה, לחות ואיכות אוויר כדי למזער השפעות סביבתיות על הדיוק
• חיישני כוח ומאמץ מבטיחים שהמפעילים מיישמים את הכוחות הנכונים במהלך היישור והמיקום

חיישנים מספקים את הנתונים החיוניים בזמן-אמת עבור משוב בחוג-סגור כדי לכוונן את המפעילים באופן דינמי, תוך הבטחת יישור ודיוק התבנית. הם מגלים סטיות בזמן-אמת כדי למנוע פגמים בפרוסות עם תבניות ויישור מושלם של פוטו-מסכות ופרוסות, שהן חיוניות עבור תכני שבבים רב-שכבתיים. הם גם קריטיים עבור מזעור עיכובים הנגרמים עקב אי-יישור או עיבוד-מחדש.

אינטראקציה של חיישנים ומפעילים

מערכות ליטוגרפיה DUV ו-EUV מסתמכות שתיהן על עשרות אלפי חיישנים כדי להשיג את הדיוק והאמינות החיוניים עבור ייצור מוליכים-למחצה יעיל עם תפוקה גבוהה. ככל שיצרני הציוד שואפים להשיג סדר-גודל של פיקומטר עבור ליתוגרפיה של הדור-הבא, תפקידם של חיישנים ומפעילים בהבטחת דיוק ואמינות הופך להיות יותר ויותר קריטי. האינטראקציה והניהול החלקים של רכיבים אלה הם מרכזיים להצלחת מערכות הליטוגרפיה.

ניהול חיישנים אלו דורש עיבוד נתונים בזמן-אמת ומערכות בקרה מתקדמות. האינטראקציה בין חיישנים ומפעילים במערכות ליטוגרפיה חייבת להיות מנוהלת בקפידה כדי להשיג את הדיוק והאמינות הנדרשים על ידי יצרני מוליכים-למחצה ולקוחותיהם. התהליכים המורכבים תלויים במנגנוני משוב בזמן-אמת, אלגוריתמי בקרה מתוחכמים ואינטגרציה חלקה בין תת-מערכות מורכבות.

החיישנים עוקבים ברציפות אחר פרמטרים כגון מיקום, טמפרטורה, לחץ ורעידות. יש לתקן כל סטייה מהפרמטרים הרצויים בזמן-אמת. המפעילים מכוונים להגיב עם התאמות בקנה-מידה מיקרו או ננו כדי למקם את הפרוסה או המסכה, ולכוונן באופן עדין את המיקוד האופטי או את יישור מקור האור.

במיקום במת הפרוסה, החיישנים עוקבים אחר תנועות בדיוק של תת-ננומטר. המפעילים, כגון מנועים לינאריים או אלמנטים פייזואלקטריים, מכוונים באופן דינמי את מיקום הבמה כדי לשמור על יישור מדויק עם הפוטו-מסכה. חיישני יישור אופטיים עוקבים אחר נתיב האור, ומפעילים מכוונים מראות או עדשות כדי להבטיח דיוק של מיקוד ותבנית.

בקרה מרכזית

יחידות בקרה מרכזיות מנטרות ומעבדות נתונים מאלפי חיישנים ושולחות פקודות למפעילים. מערכות אלו משתמשות במעבדים במהירות גבוהה ובאלגוריתמים מתוחכמים כדי לנהל אינטראקציות בצורה חלקה, תוך הבטחת סנכרון בין מספר תת-מערכות. השגת דיוק ברמת ננומטר דורשת עיכובים מינימליים בעיבוד הנתונים ובתגובת המפעיל.

חיישנים ומפעילים מחוברים באמצעות פרוטוקולי תקשורת במהירות גבוהה עם שיהוי (Latency‏) קצר כמו EtherCAT, Ethernet או ממשקים קנייניים. רשתות אלו מאפשרות חילופי נתונים מהירים ותיאום בין רכיבים.

סחיפה בקריאות החיישנים או בביצועי המפעיל מתגלה באמצעות ניטור ומפוצה באמצעות אלגוריתמי בקרה אדפטיביים. אלגוריתמי למידת מכונה מנתחים נתונים היסטוריים כדי לחזות סטיות פוטנציאליות או בלאי ציוד, ומאפשרים תחזוקה חזויה וביצועי מפעיל אופטימליים.

ככל שצומתי מוליכים-למחצה ממשיכים להתכווץ, התפקיד של אינטגרציה של חיישנים ומפעילים הוא יותר ויותר קריטי. אינטרפרומטרים מודדים את מיקום במת הפרוסות בדיוק של ננומטר, בעוד שמפעילים מכוונים באופן דינמי את מיקום הבמה על סמך משוב מחיישני יישור ורעידות. חיישנים אופטיים עוקבים אחר מיקוד ועוצמת האור, ומפעילים פייזואלקטריים מכוונים עדשות או מראות כדי לשמור על מיקוד עבור הקרנה מדויקת של תכני המעגלים על גבי הפרוסה. מצלמות או חיישנים אופטיים משמשים גם כדי לגלות חלקיקים או אי-סדירויות, כאשר המפעילים מתבקשים למקם מחדש את הפרוסה או המסכה כדי למנוע פגמים, או להתחיל בהליכי ניקוי אוטומטיים.

ביצועי שרשרת האותות

בכל מערכת ייצור מוליכים-למחצה עם ליטוגרפיה, הביצועים של כל חיישן הם קריטיים. ה-ADAQ7768-1‏ של ADI (איור 1) היא מערכת DAQ המבוססת על טכנולוגיות µModule של החברה ומתוכננת לפשט ולשפר את הביצועים של מערכות מדידה ובקרה מדויקות. פתרון מערכת-במארז (SiP) יחיד משלב הגברה עם אימפדנס כניסה גבוה, הגנת Anti-Aliasing‏, אכשור אותות, המרת אנלוגי-לדיגיטלי (A/D) ובלוקי סינון דיגיטליים הניתנים-להגדרה.

איור 1: מערכת קליטת נתונים ADAQ7768-1 µModule של ADI. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

על ידי שילוב רכיבים פסיביים כגון נגדים וקבלים ורכיבים אקטיביים כגון מגברי שרת, ייחוסים, מייצבים עם מפל-מתח נמוך (LDOs) והמרת A/D‏, ה-µModule מבטיח את הביצועים של שרשרת אותות שלמה על פני הטמפרטורה והספקת הכוח. זה מבטיח שרשרות אותות בעלות ביצועים גבוהים, מדויקים ועקביים עבור קליטת אותות מחיישני לחץ, טמפרטורה ורעידות.

ה-ADAQ7768-1 משלב מספר רכיבים בתוך μModule‏ יחיד, כפי שמוצג בדיאגרמת הבלוקים באיור 2. אלה כוללים ממיר אנלוגי-דיגיטלי (ADC) מדויק של Bit‏-24‏, רכיבי אכשור אותות כגון מגברים ומסננים, ומעגלי ייחוס וניהול הספקת-כוח.

איור 2: דיאגרמת בלוקים של ADAQ7768-1 µModule. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

ה-ADC עם Bit‏-24‏ מאפשר מדידות מדויקות של פרמטרים עדינים כגון רמות רעידות בבמת הפרוסה, וריאציות תרמיות במכללים אופטיים ושגיאות מיקום תת-ננומטריות.

מספר חיישנים - כגון לחץ, טמפרטורה ורעידות - יכולים להיות מחוברים לקצה הקדמי האנלוגי (AFE‏) של ה-ADAQ7768-1‏, הכולל מספר רכיבים אקטיביים ופסיביים. ניתן להשתמש במספר מודולים במקביל לניהול נתונים ממערך גדול של חיישנים, כגון אלו המנטרים את יישור במת הפרוסות או את תנאי הסביבה.

רעשי הספקת-הכוח יכולים להשפיע ישירות על הדיוק והאמינות של מדידות מערכת הליטוגרפיה, אך ה-ADAQ7768-1 תוכנן לפעול עם ספק-כוח יחיד, מפשט את תכנון המערכת ומפחית את הצורך במעגלי ניהול הספקת-כוח חיצוניים נוספים.

תכן ניהול הספקת-הכוח ממזער את האדווה ואת רעשי הספקת-הכוח, שהוא קריטי עבור שמירה על הדיוק הגבוה של ה-ADC עם Bit‏-24‏ עם רעש נמוך ושל שרשרת אכשור האותות.

ה-ADAQ7768-1 מתוכנן לפעול באמצעות כניסה של V‏ 5.3‏, עם שינויים מינוריים בתחום מתחי הכניסה של V‏ 5.1‏ עד V‏ 5.5‏. המודול כולל LDOs פנימיים כדי לספק כוח נקי ויציב לתתי-המערכות הפנימיות השונות שלו.

ה-ADAQ7768-1 מפחית את מורכבות התכנון על ידי ביטול הצורך של המתכננים במקור וכיול של רכיבי שרשרת אותות בודדים, ועוזר לייעל את שלבי האב-טיפוס והבדיקות, ובכך לקצר את זמן היציאה לשוק.

מתכנני מוצרים יכולים להשתמש בלוח ההערכה EVAL-ADAQ7768-1‏ של ADI (איור 3) כדי לפשט את בניית אב-טיפוס, להאיץ את הפיתוח ולעזור בתיקוף תכני קליטת נתונים מדויקים המשלבים את ה-ADAQ7768-1 בתוך המערכות שלהם. זה קריטי להבטחת ביצועי המערכות כמצופה בתהליכי מיקום ויישור תת-ננומטריים.

איור 3: לוח ההערכה של ADI עבור יישומי בניית אב-טיפוס ובדיקות הבנוי סביב פתרון קליטת הנתונים ADAQ7768-1. (מקור התמונה: .Analog Devices, Inc)

לוח ההערכה מספק פלטפורמה פונקציונלית מלאה לבדיקת ה-ADAQ7768-1 עם רכיבי שרשרת אותות שהורכבו-מראש ומציע פעולת Plug-and-Play‏ עם ציוד בדיקה סטנדרטי או מיקרו-בקרים. המתכננים יכולים להעריך ולמטב את הביצועים של התכנים שלהם, ולבדוק בתנאי סביבה שונים עם סוגי חיישנים ומקורות אותות שונים כדי לקבוע את אכשור אותות הכניסה האופטימלי.

סיכום

מערכות ליטוגרפיה מתקדמות, הנשענות על אלפי חיישנים עבור ניטור ובקרה, הן חיוניות עבור ייצור מוליכים-למחצה קטנים יותר ורבי-עוצמה יותר. החיישנים ממלאים תפקיד מרכזי בבקרת מפעילים (Actuator‏), מעניקים משוב ומבטיחים דיוק ותפוקה בייצור מוליכים-למחצה. מערכת קליטת הנתונים ADAQ7768-1 של ADI מפשטת ומשפרת את מערכות המדידה והבקרה המדויקות, תוך שילוב בלוקים של אכשור אותות, המרה ועיבוד. הגודל הקומפקטי, הדיוק הגבוה וקלות השימוש שלו הופכים אותו לכלי בעל ערך עבור פיתוח ציוד ליטוגרפיה של הדור-הבא הדורש דיוק ואמינות קיצוניים.