Sľuby a výzvy euv na celom svete

Jedným z dôvodov, prečo som bol tak fascinovaný na návšteve GlobalFoundries začiatkom tohto mesiaca, bola príležitosť vidieť litografický stroj EUV a počuť, ako ho firma plánuje použiť.

Nie je to tak dávno, čo som mal možnosť navštíviť továreň v Connecticute, kde ASML vyrába veľa komponentov pre taký stroj EUV. Tieto obrovské nástroje používajú extrémne ultrafialové (EUV) svetlo žiariace maskou na vymedzenie línií pre veľmi malé čipy čipov a sú jedny z najkomplexnejších strojov na svete. Sú navrhnuté tak, aby nahradili súčasné štandardné ponorné litografické prístroje, ktoré používajú svetlo s vlnovou dĺžkou 193 nm v niektorých vrstvách procesu výroby čipov.

Zhrnutie: stroj EUV je neuveriteľne komplikovaný. Ako vysvetlil George Gomba, viceprezident pre technologický výskum pre GlobalFoundries, proces začína laserom s CO2 s výkonom 27 kilowattov, ktorý sa vystrelí cez systém transportu lúčov a zaostrovací systém na malé kvapôčky cínu (v priemere približne 20 mikrónov) produkované generátorom kvapôčok v plazmatickej nádobe. Prvý impulz splošťuje kvapku a druhý ju odparuje, čím sa vytvára plazma produkovaná laserom (LPP). Fotóny EUV emitované z plazmy sa zhromažďujú pomocou špeciálneho zrkadla, ktoré odráža svetlo s vlnovou dĺžkou 13, 5 nm, a toto žiarenie sa prenáša do stredového bodu zaostrenia, kde vstupuje do skenera a premieta sa maskou cez kremíkovú doštičku. Gomba, ktorý pracuje v zariadení Albany Nanotech, uviedol, že pracuje s predprodukčnými systémami EUV od roku 2013 a teraz očakáva, že bude EUV v plnej produkcii na GlobalFoundries do druhej polovice roku 2019.

Tieto nástroje sú také zložité, že vyžadujú mesiace práce, len aby boli pripravené na začatie výroby. V spoločnosti Fab 8 na Malte v New Yorku som videl nainštalované prvé dva nástroje EUV; jeden je takmer kompletný a druhý je vo výrobnom procese a stále je tu priestor pre ďalšie dva.

Získanie nástrojov EUV v samotnej budove bolo zložitou operáciou. Prvý fab bol prvýkrát zapečatený; potom bol do stropu nainštalovaný žeriav a do boku budovy sa vyrezal otvor, ktorý presunul nový masívny systém dovnútra. Potom to muselo byť samozrejme pripojené k ostatným nástrojom v továrni. Jednalo sa o prácu v sub-fab, ktorý musel byť nastavený pre zdrojový nástroj, ktorý vytvára laser používaný v procese, ako aj v samotnom čistom prostredí. Všetko sa muselo urobiť, zatiaľ čo zvyšok fabu sa udržal v plnej rýchlosti.

Tom Caulfield, SVP a generálny riaditeľ Fab 8, to porovnal s „vykonaním operácie srdca pri behu maratónu“.

Stav EUV - a to, čo ešte treba vyriešiť

Gary Patton, CTO a SVP svetového výskumu a vývoja pre GlobalFoundries, uviedol, že 7nm bude tento rok v produkcii rizika na Fab 8 a budúci rok bude mať plnú produkciu pomocou ponornej litografie a štvorkolky, ale nie EUV. Vytváranie viacerých vzorov trvá dlhšie, pretože vyžaduje viac krokov, a problémy sa môžu vyskytnúť v dôsledku veľmi presného zarovnania potrebného v každom kroku, ale tieto litografické nástroje sú dnes bežné, dobre zrozumiteľné a pripravené. Plánuje sa, že neskôr ponúknu verziu 7nm procesu s použitím nových nástrojov EUV.

EUV nie je „pripravený dnes, “ uviedol Patton, citujúc problémy so zdrojom energie, odolávajú materiálom a maskám, najmä s vývojom správnej granuly (tenký film, ktorý prechádza cez masku alebo sieťku).

V súčasnosti stroje EUV nie sú také rýchle, pričom jeden technik vysvetlil, že dokážu vyrobiť asi 125 doštičiek za hodinu v porovnaní s asi 275 doštičkami za hodinu pre ponornú litografiu. V skutočnosti môžu ušetriť čas, pretože ak proces zníži počet prechodov na viacnásobné modelovanie, ušetrí nielen kroky v litografii, ale aj pri leptaní a príprave. Preto by EUV mala byť v skutočnosti lacnejšia, keď bude pripravená, uviedol Caulfield.

Gomba poznamenal, že ide nielen o redukciu 3 alebo 4 vrstiev optickej litografie, ale aj o redukciu mnohých ďalších krokov, pretože medzi každým litografickým krokom je aj leptanie a ďalšie spracovanie na doštičke. Gomba povedal, že cieľom je skrátiť čas cyklu až o 30 dní.

Krížový bod je pravdepodobne štvorcový, ale veľa závisí od výťažku (ktorý by sa mal zlepšiť, pretože litografické kroky EUV by mali mať menšiu variabilitu ako viacnásobné litografické kroky) a zlepšenia doby cyklu. EUV by tiež mal umožniť návrhárom čipov pracovať za oveľa menej reštriktívnych podmienok.

Tiež však poznamenal, že ešte treba vyriešiť niektoré problémy, najmä pokiaľ ide o pelety. Iný inžinier vysvetlil, že 13, 5nm žiarenie používané EUV sa absorbuje takmer všetkým, takže vnútro stroja musí byť vákuum. Pri EUV veľa energie neprejde cez krížik (masku), ale namiesto toho ju zahreje. Peleta pomáha chrániť masku, ale stále je potrebné urobiť prácu, aby sa zlepšilo množstvo svetla, ktoré prechádza cez granule (priepustnosť), ako aj životnosť pelety. To zasa ovplyvní priepustnosť, ako aj životnosť masiek a dobu prevádzky celého stroja.

V dôsledku toho spoločnosť Patton povedala, že spoločnosť pôvodne ponúkne 7nm zmenšenie s EUV, ktoré sa použije hlavne na kontakty a prenosy. To samo o sebe môže poskytnúť 10 až 15 percentné zvýšenie hustoty bez veľkých investícií do dizajnu. Keď sa tieto problémy vyriešia, povedal Patton, že EUV sa môže a bude používať v mnohých ďalších vrstvách. (Joel Hruska z ExtremeTech , ktorý bol tiež na turné, má viac podrobností tu.)

Patton poznamenal, že spoločnosť ASML by mala získať „obrovský kredit“ za tlačenie EUV tak ďaleko, ako je, a povedal, že je to „neuveriteľný čin inžinierstva“. Na otázku, či je spoločnosť GlobalFoundries skutočne odhodlaná robiť EUV, spoločnosť Caulfield odpovedala, že firma investovala 600 miliónov dolárov, čo znamená „to musí urobiť“.

FDX a cestovná mapa pre budúce čipovanie

V rozsiahlej diskusii o tom, kam smeruje výroba čipov, Patton - ktorý strávil dlhoročnú prácu v oblasti čipovej technológie pre IBM - vysvetlil, ako sa tento koncept mení, keď sa dostávame na koniec Mooreovho zákona. Poznamenal, že v prvých rokoch výroby čipov to bolo všetko o plošnom škálovaní kremíka CMOS. Potom sa v rokoch 2000 - 2010 zameranie zameralo na nové materiály; teraz sa veľká pozornosť sústreďuje na 3D tranzistory (FinFET, ktoré sa dnes používajú vo väčšine špičkových procesov), a na 3D stohovanie.

Do roku 2020 uvedie, že dosiahneme hranice atómových dimenzií, takže sa budeme musieť zamerať na ďalšie spôsoby inovácie, vrátane nových spôsobov navrhovania tranzistorov (ako sú napríklad nanovlákna, ktoré nahrádzajú FinFET), nových druhov substrátov (ako napríklad Fully Vyčerpaná technológia kremíka na izolátore GlobalFoundries sa vyvíja); alebo nové úrovne systémovej integrácie (napríklad pokročilé balenie, kremíková fotonika a zabudovaná pamäť).

GlobalFoundries má dva cestovné mapy, na ktorých pracuje, povedal Patton. Prvý je založený na súčasnej technológii FinFET a je určený pre vysokovýkonné zariadenia. V GlobalFoundries to znamená prechod od súčasného 14nm procesu k revízii procesu, ktorý volá 12nm, a potom tento rok k tomu, čo nazýva 7nm. Patton uviedol, že by to malo byť najvhodnejšie pre procesory mobilných aplikácií a vysokovýkonné procesory a GPUS. GlobalFoundries sľubuje až 40-percentné zlepšenie výkonu zariadenia a 60-percentné zníženie celkového výkonu v porovnaní s procesom 14nm. Rovnako presvedčivé by malo v porovnaní s predchádzajúcou generáciou znížiť náklady na matrice asi o 30 percent až na 45 percent.

V tejto časti plánu je GlobalFoundries na podobnom kurze v porovnaní s plánmi konkurenčných spoločností, ako sú TSMC alebo Samsung.

Ale pre iné aplikácie sa spoločnosť zameriava na to, čo nazýva FDX, svoju značku pre úplne vyčerpanú technológiu kremíka na izolátore. Ide o planárnu technológiu, čo znamená, že nepoužíva 3D tranzistory a Patton uviedol, že poskytuje nákladovo efektívnejšie riešenie pre mobilné procesory nižšej triedy a strednej úrovne, ako aj procesory pre internet vecí a mnoho automobilov aplikácie. Zatiaľ čo niektoré výskumy sa odohrávajú na Malte, proces FDX sa väčšinou organizuje v Drážďanoch v Nemecku. Súčasná práca na tomto procese je to, čo GlobalFoundries nazýva svojím 22nm uzlom FDX; toto je naplánované na prechod na 12nm proces budúci rok.

Caulfield poznamenal, že „zmenšenie nestačí, “ a že na prechod na ďalší uzol musí spoločnosť GlobalFoundries ponúknuť väčší výkon a priniesť zákazníkom skutočnú hodnotu. Poznamenal, že firma preskočila 20nm a to, čo ostatní nazývajú 10nm, aby sa zameralo na 7nm, a uviedol, že tento uzol ponúka priame zníženie nákladov o 30 až 45 percent v porovnaní so 14nm, čo je trochu kompenzované potrebou ďalších masiek pre ďalšie kroky, ktoré vyžaduje viacnásobná vzorovanie.

Caulfield poznamenal, že viac ako polovica tržieb spoločnosti zostáva na starších procesných uzloch, ako sú uzly 28 a 40 nm. Závod firmy v Singapure je zameraný na procesy staršie ako 40 nm a staršie a Drážďany vyrábajú výrobky staršie ako 22 nm a staršie. Medzitým sa všetko na Malte zameriava na 14nm a novšie procesy.

Na 7nm, Caulfield povedal, že spoločnosť chce byť „rýchlym sledovateľom“, zatiaľ čo na FDX chce byť „rušivým“ faktorom na trhu.

Patton poznamenal, že spoločnosť GlobalFoundries vykázala v roku 2015 testovací čip 7nm, ktorý vyvinula s partnermi IBM a Albany NanoTech Complex. V 5nm spoločnosť hovorila o nanosheetoch alebo tranzistoroch typu gate-all-around a zamerala sa na komunikáciu medzi modulmi pomocou balenia 2, 5D a 3D čipov na silikónových vkladačoch na pripojenie rôznych kostiek kostry a hybridnej pamäte. So svojimi partnermi v minulom roku preukázal 5nm testovací čip.

Po celé roky som bol ohromený tým, do akej miery sa odvetvie výroby čipov dokázalo zlepšiť. Je ťažké predstaviť si iný priemysel, ktorý sa posunul tak ďaleko a tak rýchlo - a práca tvorcov nástrojov, ako sú ASML a fabs, ako je GlobalFoundries, je neuveriteľná. Výzvy, ktorým čelia pri realizácii ešte rýchlejších čipov a hustejších vzorov, sú čoraz zložitejšie, ale moja návšteva mi pripomenula zložitosť najmodernejších procesov a pokrok, ktorý stále vidíme.

Aká je pravdepodobnosť, že odporučíte PCMag.com?