Obljube in izzivi euv na globalni ravni

Eden od razlogov, da sem bil v tem mesecu tako zelo zainteresiran, da sem obiskal GlobalFoundries, je bil priložnost, da vidim na svojem mestu litografski stroj EUV in slišim, kako podjetje namerava uporabljati.

Nedolgo nazaj sem imel priložnost obiskati tovarno v Connecticutu, kjer ASML gradi veliko komponent za takšen stroj EUV. Ta ogromna orodja uporabljajo ekstremno ultravijolično (EUV) svetlobo, ki je zasijala skozi masko, da bi omejila črte za zelo majhne lastnosti čipov in so nekateri najbolj zapleteni stroji na svetu. Zasnovani so tako, da zamenjajo standardne potopne litografske stroje, ki uporabljajo svetlobo z valovno dolžino 193 nm v nekaterih plasteh postopka izdelave sekancev.

Če povzamemo, je EUV stroj neverjetno zapleten. Kot je pojasnil George Gomba, podpredsednik tehnoloških raziskav za GlobalFoundries, se postopek začne z 27-kilovatnim CO2 laserjem, ki se sproži s sistemom za prenos snopa in s fokusiranim sistemom na drobne kapljice kositra (premera približno 20 mikronov), ki jih proizvaja generator kapljic v plazemski posodi. Prvi impulz kapljico sploši, drugi pa jo upari in ustvari plazmo, ki nastaja z laserjem (LPP). EUV fotoni, oddani iz plazme, so zbrani s posebnim ogledalom, ki odbija svetlobo valovne dolžine 13, 5 nm in sevanje oddaja v vmesno fokusno točko, kjer vstopi v optični bralnik, in se projicira skozi masko na silikonsko rezino. Gomba, ki dela v obratu Albany Nanotech, je dejal, da se s sistemi za predpripravo EUV ukvarja od leta 2013, zdaj pa pričakuje, da bo EUV v polni proizvodnji v GlobalFoundries do druge polovice leta 2019.

Ta orodja so tako zapletena, da potrebujejo mesece dela, da jih lahko pripravimo na začetek proizvodnje. V podjetju Fab 8 na Malti v New Yorku sem videl prva dva orodja EUV, ki sta bili nameščeni; ena je skoraj popolna, druga pa je v procesni proizvodnji, prostora pa sta še za dva.

Nakup orodij EUV v sami zgradbi je bil zapleten postopek. Glavna ploščica je bila najprej zapečatena; Nato je bil v strop nameščen žerjav in na strani stavbe vrezana luknja, da bi premikali masiven nov sistem v notranjost. Potem ga je bilo seveda treba povezati z ostalimi orodji v tovarni. To je vključevalo delo tako v sub-fab-u, ki ga je bilo treba nastaviti za izvorno orodje, ki ustvarja laser, uporabljen v postopku, kot tudi v sami čistilnici. Vse je bilo treba storiti, medtem ko so ostali deli fabusa delovali s polno hitrostjo.

Tom Caulfield, SVP in generalni direktor Fab 8, je to primerjal z "operacijo na srcu med tekom maratona."

Status EUV - in kaj je še treba rešiti

Gary Patton, CTO in SVP svetovne raziskave in razvoja za GlobalFoundries, je dejal, da bo 7nm letos v Fab 8 v proizvodnji, tvegano pa bo celotno proizvodnjo prihodnje leto z uporabo potopitvene litografije in štirikolesnega vzorčenja, ne pa z EUV. Večosebno slikanje traja dlje, ker vključuje več korakov, in težave se lahko pojavijo zaradi zelo natančne poravnave, ki je potrebna na vsakem koraku, vendar so ta litografska orodja danes običajna, dobro razumljena in pripravljena. Načrt bo pozneje ponuditi različico 7nm procesa z novimi orodji EUV.

EUV danes "ni pripravljen, " je dejal Patton in navajal težave z izvorno močjo, odpornostjo materialov in maskami, zlasti z razvojem ustreznega pelliclea (tanek film, ki gre čez masko ali mrežnico.)

Trenutno EUV stroji niso tako hitri, en inženir pa pojasnjuje, da lahko proizvedejo približno 125 rezin na uro v primerjavi s približno 275 rezinami na uro za potopno litografijo. Dejansko lahko prihranijo čas, saj če postopek zmanjša število prehodov za večplastninjenje, ne prihrani le korakov pri litografiji, temveč tudi pri jedkanju in pripravi. Tako bi EUV dejansko moral stati manj, če bi bil pripravljen, ko je pripravljen, je dejal Caulfield.

Gomba je opozoril, da ideja ni le v zmanjšanju 3 ali 4 plasti optične litografije, temveč tudi v zmanjševanju številnih drugih korakov, saj med vsakim korakom litografije na rezini obstaja tudi jedkanje in drugačna obdelava. Cilj, je dejal Gomba, je skrajšati čas cikla za do 30 dni.

Križna točka je verjetno vzorčenje štirikolesnikov, vendar je veliko odvisno od izkoristka (ki ga je treba izboljšati, saj morajo imeti koraki litografije EUV manj variabilnih kot večkratni koraki litografije potopitve) in izboljšav časa cikla. EUV bi moral tudi oblikovalcem čipov omogočiti delovanje pod veliko manj restriktivnimi pogoji.

Vendar je tudi opozoril, da je treba rešiti še nekaj vprašanj, zlasti v zvezi s peliklom. Drugi inženir je pojasnil, da 13, 5 nm sevanja, ki ga uporablja EUV, absorbira skoraj vse, zato mora biti v notranjosti stroja prazen prostor. Pri EUV velik del moči ne gre skozi mrežnico (masko), ampak jo namesto tega segreje. Pellicle pomaga zaščititi masko, vendar je treba še izboljšati količino svetlobe, ki gre skozi pellicle (prenos), kot tudi dolgo življenjsko dobo pelliclea. To pa bo vplivalo na prepustnost, pa tudi na dolgo življenjsko dobo mask in čas delovanja celotnega stroja.

Kot je dejal Patton, bo podjetje na začetku ponudilo 7nm krčenje z EUV, ki ga bodo večinoma uporabljali za stike in vire. Samo to lahko zagotovi 10 do 15-odstotno povečanje gostote brez velikih načrtovalnih naložb. Ko bodo težave odpravljene, je dejal Patton, EUV se lahko in bo uporabljal v mnogih več slojih. (Joel Hruska iz podjetja ExtremeTech , ki je bil prav tako na turneji, je tu podrobnejši.)

Patton je poudaril, da bi moral ASML dobiti "ogromno zaslug" za napredovanje EUV, kolikor ga ima, in dejal, da gre za "neverjeten podvig inženiringa." Na vprašanje, ali je GlobalFoundries resnično zavezan k EUV-ju, je Caulfield odgovoril, da je podjetje vložilo 600 milijonov dolarjev naložbe, kar pomeni, da "morajo to storiti."

FDX in načrt za prihodnje oblikovanje čipov

V široki razpravi o tem, kam vodi čipiranje, je Patton, ki je dolgo kariero delal na tehnologiji čipov za IBM, razložil, kako se koncept spreminja, ko pridemo do konca Mooreovega zakona. Opozoril je, da je šlo v zgodnjih letih za proizvodnjo sekancev za ravninsko skaliranje silicijevega CMOS. Nato se je od leta 2000 do 2010 poudarek usmeril na nove materiale; Zdaj je velik poudarek na 3D tranzistorjih (FinFET, ki se danes uporabljajo v večini najpomembnejših procesov) in 3D-zlaganje.

Po letu 2020 bo, kot je dejal, dosegel meje atomske dimenzije, zato se bomo morali osredotočiti na druge načine inoviranja, vključno z novimi načini načrtovanja tranzistorjev (kot so nanowires, ki nadomeščajo FinFET), nove vrste substratov (kot je popolnoma Tehnologija izčrpanega silicija na izolatorju GlobalFoundries se razvija); ali nove ravni integracije na sistemski ravni (na primer napredna embalaža, silikonska fotonika in vgrajeni pomnilnik).

Patton je dejal, da ima GlobalFoundries dva načrta, na katerih deluje. Prva temelji na trenutni tehnologiji FinFET in je zasnovana za visoko zmogljive naprave. Pri GlobalFoundries to pomeni prehod iz sedanjega 14nm procesa na revizijo postopka, ki ga imenuje 12nm, nato pa pozneje letos k temu, kar imenuje 7nm. Patton je dejal, da je to najprimernejše za procesorje mobilnih aplikacij in visoko zmogljive CPU-je ter GPUS, saj GlobalFoundries obljublja do 40-odstotno izboljšanje zmogljivosti naprav in 60-odstotno zmanjšanje skupne moči v primerjavi s 14 nm procesom. Enako prepričljivo bi moralo zmanjšati stroške die za približno 30 odstotkov na kar 45 odstotkov v primerjavi s prejšnjo generacijo.

GlobalFoundries je v tem delu načrta na podobnem poteku v primerjavi s časovnimi načrti konkurenčnih fab, kot sta TSMC ali Samsung.

Toda pri drugih aplikacijah se podjetje osredotoča na to, čemur pravijo FDX, njegova blagovna znamka za popolnoma osiromašeno tehnologijo silicija na izolatorju. To je planarna tehnologija, kar pomeni, da ne uporablja 3D tranzistorjev, Patton pa je dejal, da ponuja bolj stroškovno učinkovito rešitev za mobilne procesorje nižjega in srednjega nivoja, pa tudi procesorje za internet stvari in številne avtomobilske aplikacije. Medtem ko se nekatere raziskave tega dogajajo na Malti, je postopek FDX večinoma organiziran v Dresdnu v Nemčiji. Trenutno delo na tem procesu je tisto, kar GlobalFoundries imenuje svoje 22nm FDX vozlišče; ta načrt bo predviden za prehod na 12 nm postopek prihodnje leto.

Caulfield je ugotovil, da "krčenje ni dovolj" in da mora GlobalFoundries, da bi prešel na naslednje vozlišče, ponuditi večjo učinkovitost in uporabnikom prinesti resnično vrednost. Opozoril je, da je podjetje preskočilo 20 nm in tisto, kar drugi imenujejo 10nm, da se osredotočijo na 7nm, in dejal, da to vozlišče ponuja 30 do 45-odstotno znižanje neposrednih stroškov v primerjavi z 14nm, kar je nekoliko nadomeščeno s potrebo po več maskah za dodatne korake, ki jih zahteva multi- vzorčenje.

Caulfield je ugotovil, da več kot polovica prihodkov podjetja ostane na starejših procesnih vozliščih, kot sta 28 in 40 nm vozlišč. Singapurski obrat podjetja je osredotočen na 40 nm in starejše procese, Dresden pa izdeluje na 22nm in starejših. Medtem je vse na Malti osredotočeno na 14nm in novejše procese.

Na 7nm, je dejal Caulfield, želi podjetje biti "hiter spremljevalec", medtem ko na FDX želi biti "moteč" dejavnik na trgu.

Patton je poudaril, da je GlobalFoundries leta 2015 pokazal 7nm testni čip, ki ga je razvil skupaj s partnerjema IBM in Albany NanoTech Complex. Podjetje je na 5nm govorilo o nanosheetih ali tranzistorjih z zapornicami in osredotočalo se na komunikacijo znotraj modulov z uporabo 2, 5D in 3D embalaže čipov na silicijevih interpozitorjih za povezavo različnih matričnih in hibridnih kock pomnilnika. S partnerji je lani demonstriral 5nm testni čip.

Že leta sem navdušen nad tem, koliko se je industriji izdelave čipov uspelo izboljšati. Težko si je zamisliti drugo, ki se je tako hitro premaknila in tako hitro - in delo proizvajalcev orodij, kot so ASML in fabs, kot je GlobalFoundries, je preprosto neverjetno. Izzivi, s katerimi se srečujejo pri uresničevanju še hitrejših žetonov in gostejših modelov, so vse težji, vendar me je moj obisk spomnil tako na zapletenost vrhunskih procesov kot tudi na napredek, ki ga še naprej vidimo.

Kako verjetno priporočate PCMag.com?