ייצור רכיבי מחשב ( למשל מעבדים, ורכיבי זכרון) הוא משימה מורכבת מאוד, שכן בנוסף לקשיים הטכנולוגיים, הייצור חייב להיות יעיל וזול כדי שיהיה משתלם לייצר את הרכיבים.
כדי להפוך את הדברים למסובכים עוד יותר, ייצור מעבדי מחשב מודרניים דורש דיוק בסדר גודל של ננומטרים ואף מעבר. לכן, תעשיית המיחשוב זקוקה לטכנולוגיה מתוחכמת להפליא, ועם זאת זולה.
הדרך הנפוצה להשגת הדיוק הנדרש תוך שמירה על עלויות ייצור נמוכות, היא תהליך המכונה פוטוליתוגרפיה[1], ובו רכיבי המחשב "מודפסים" (באופן דומה מאוד לדפוס סטנדרטי) בעזרת הקרנת באור תוך שימוש אמצעים כימיים.
 
רכיבי המעבדים והזיכרון מיוצרים על משטח סיליקון הנקרא פרוסת סיליקון [2] ("Wafer").
הפרוסה מחולקת למשבצות, כך שכל משבצת זהה לאחרות כמעט לחלוטין. בסוף תהליך הייצור, הפרוסה תיחתך כך שכל משבצת תהפוך לרכיב עצמאי. באופן זה, מיוצרים רכיבים רבים יחד, מה שמוזיל את עלויות הייצור באופן משמעותי.
הפוטוליתוגרפיה היא מדויקת להפליא - הדיוק של הדפסת כל שכבה של הפרוסה הוא מעל ננומטר (!). עם זאת, לתהליך זה ישנה בעיה יסודית - כל הדפסה מייצרת מבנים כמעט שטוחים, וכמעט שלא ניתן להדפיס מבנים תלת מימדיים מורכבים, כמו אלו הנדרשים לרכיבי מחשב וזיכרון. הפתרון הוא הדפסה בשכבות, כך שהמבנים התלת מימדיים מיוצרים בשכבות כמעט דו ממדיות הנערמות זו על זו.
 
למרות יעילות התהליך, הוא יוצר בעיה חדשה - הנחת כל שכבה על פני הקודמת הוא תהליך הרבה פחות מדויק מהדפסת כל שכבה. אחת הבעיות הקשות ביותר בייצור רכיבי מחשב היא הצורך לוודא ששכבות הפרוסה מונחות זו על זו באופן מדויק מספיק. מדידת ההסחה בין השכבות, מכונה בשפה המקצועית "מטרולוגיה"[3] , והדיוק שלה הוא חלק קריטי מתהליך הייצור. ללא מטרולוגיה יעילה, המעבדים יכילו פגמים רבים, קצרים ונתקים, ולא יוכלו לתפקד. לכן, ללא מטרולוגיה מדוייקת מספיק לא ניתן להדפיס מעבדי מחשב. בפרט, מגבלות המטרולוגיה הן אחד הגורמים העיקריים בעיכובים במזעור חלק מרכיבי המחשב.
המטרולוגיה היא תהליך מורכב, הדורש תחכום רב. בכדי להבין את הקושי שבה, נסביר תחילה כיצד היא מתבצעת.
הסיליקון של הפרוסה הינו שקוף במקצת עבור אור נראה, כך שבתנאים מסוימים, אם נסתכל על שכבה לאחר הדפסה, נוכל לראות גם את השכבות שמתחתיה. הטכניקות הנפוצות של המטרולוגיה מנצלות תופעה זו, ומשתמשות בתבניות המודפסות על פני שכבות הפרוסה לחישוב ההסחה בין השכבות. בעזרת צילום התבניות (כאמור, תבנית אחת על השכבה הנוכחית ואחת על השכבה הקודמת), ניתן לדעת מהי ההסחה בין שכבות עוקבות. באופן זה, כל מטרה יכולה לתת לנו מידע על ההסחה בנקודה בה היא נמצאת.
בעזרת שימוש במטרות רבות, ניתן להעריך את ההסחה מהשכבה הקודמת של כל הפרוסה בנקודות שונות על פני הפרוסה. בעזרת התאמה למודלים גאומטריים אפשר להעריך את הסחת השכבה כולה.
בכדי שנוכל לצלם את המטרות יש להאיר אותן. דרישה זו, שלכאורה נשמעת פשוטה, אבל היא מובילה לבעיות רבות. הסיליקון מגיב באופן שונה לכל צבע אור, ולכן המטרות נראות אחרת בכל צבע. התנהגות זו היא בעייתית מאוד, שכן היא גורמת לכך שהמדידה תלויה בצבע האור בו משתמשים. לא תמיד ניתן לקבוע מראש בצורה מדויקת באיזה צבע נכון למדוד. במקרים רבים, המדידות נכשלות בשל בעיות אלו, עד כדי כך שלא ניתן לייצר את הדור הבא של רכיבי המחשב.
פריצת הדרך הגדולה ביותר בתחום בשנים האחרונות, התרחשה ממש כאן בישראל, במרכז הפיתוח של חברת KLA Tencor [4] במגדל העמק. למרות שאינה מוכרת לרובנו, KLA Tencor היא החברה שמובילה את תחום המטרולוגיה בעולם, וכמו חברות רבות אחרות בתעשיית ההיי טק, יש לה מרכז פיתוח גדול בישראל.
 
בדומה לפתרון בעיות רבות מסוג זה, השלב הראשון בפיתוח הפיתרון התבסס על סימולציות מחשב. בעזרת סימולציה של התגובה של החומרים והצורה של המטרות למאות צבעים שונים של אור, ניתן היה להעריך מה יהיה הדיוק של מדידה בכל צבע אור. באופן זה, הצליחו החוקרים להבין כי לכל מטרה יש צבע אור שבו ניתן יהיה למדוד אותה בצורה מדוייקת מספיק. הבעיה היא שצבע זה היה שונה עבור סוגים שונים של פרוסות. לכן, ההבנה הזו לא הספיקה לפתרון הבעיה, שכן לכלי המדידה יש מספר מוגבל של אורכי גל בהם ניתן להשתמש, ורובם כלל לא קיים בכלי המדידה שהיו אז בשוק.
 
ההגבלה על מספר הצבעים בכל כלי מדידה היא תוצאה של כך שכל צבע אור נוצר על ידי מקור הארה שונה, וכל מקור כזה תופס נפח לא מבוטל, כך שיש מגבלה פיזית על מספר מקורות האור שניתן להכניס לכלי המדידה. החוקרים הישראלים הבינו כי יש כאן מצב בעייתי. מצד אחד, יש צורך בספקטרום רחב של צבעי אור בשביל מדידה מדויקת של שכבות שונות. מצד שני, מספר מקורות האור בהם ניתן להשתמש הוא מוגבל. ההברקה הגדולה הגיעה בדמותו של מקור אור חדש: לייזר נשלט. במקום מקור אור לכל צבע, הלייזר הנשלט מבוסס על מקור אור חזק המאיר בתחום רחב של צבעים, ובעזרת פילטרים מתאימים מסנן את הצבעים שאנו לא מעוניינים בהם. באופן זה ניתן לייצר לייזר בכל תחומי האור הנראה.
החוקרים הכניסו לשימוש, לראשונה בתעשיית המטרולוגיה, לייזר בעל ספקטרום נשלט אל כלי מדידת המטרולוגיה. ההברקה הישראלית הלכאורה פשוטה הזו, עומדת לחולל מהפכה בתעשיית חצאי המוליכים. היכולות החדשות שמביא עימו הלייזר הנשלט פותחות דלת לדור חדש של מדידות, ולמעשה מאפשרות את המשך התקדמות התעשייה (עד לחסם הבא….).
מקורות:
[1] על פוטוליתוגרפיה
[2] על פרוסות סיליקון
[3] על מטרולוגיה
[4] לאתר של חברת KLA