Moderní výrobní procesy: trubkovité tranzistory přichází

 

Nejbližší budoucnost přinese 10nm a 7nm procesy, ale přinést má i něco jiného, na co jsme čekali velice dlouho. Jde o extrémní ultrafialovou litografii, čili o EUV, která měla původně nastoupit již jako součást 45nm výrobního procesu. Ale jak dobře víme, nebyl to pak ani 32nm, 28nm, 22nm či jiné. Ve skutečnosti se s EUV počítá až pro 7nm procesy, a to ne hned jejich první verze. Jak už bylo řečeno, společnosti TSMC i GlobalFoundries nejdříve chtějí začít vyrábět 7nm procesy bez EUV a tuto technologii zařadit až později. O co se ale jedná? 

 

EUV jako zkratka extrémního ultrafialového záření jasně určuje, že tato technologie počítá s elektromagnetickým zářením ve vlnových délkách 124 nm až 10 nm, přičemž zde by to konkrétně mělo být 13,5 nm. Moderní výrobní nástroje pracující v DUV (Deep Ultraviolet) přitom využívají argon-fluoridové lasery s vlnovou délkou 193 nm. Jak je ale možné, že toto stačí, když si výrobci dříve mysleli, že EUV bude muset nastoupit už pro výrobu 32nm čipů? 

 

 

zdroj EUV záření

 

Jako obvykle se sešlo pár chytrých hlav, které přišly na to, jak to obejít. Už několik let tak mluvíme o imerzní litografii, která upravila prostor mezi optikou a samotným waferem. Tam byl dříve vzduch a nyní se v něm nachází deionizovaná voda, která poslouží díky svému vysokému refrakčnímu indexu. Pak se používá i tzv. multiple patterning, které zvyšuje počet prvků vměstnatelných na danou plochu využitím více litografických masek. Problém je ten, že čím pokročilejší daný proces je, tím více masek je zapotřebí, což zvyšuje náklady i čas. Právě to byl i zásadní problém při vývoji 10nm technologie Intelu, který způsobil odložení prvních procesorů Cannonlake na tento rok. 

 

Právě proto už má konečně přijít na řadu EUV, která slibuje řešení těchto problémů, ale s sebou zase přináší problémy zcela nové. Její vývoj začal už v roce 1985, kdy se nazývala ještě Soft X-Ray a už tehdy se počítalo s vlnovou délkou 13,5 nm. Díky ní se může podstatně zjednodušit samotný výrobní proces a zvyšit výtěžnost pokročilých technologií, ale na druhou stranu jsou zapotřebí zcela nové nástroje, nové materiály i nové masky. 

 

Velkým problémem vždy bylo už jen vytvořit zdroj 13,5nm EUV. Samotná společnost ASML vyrábějící moderní zařízení pro produkci čipů využívá LPP zdroje EUV, čili Laser Produced Plasma. Ty fungují tak, že se CO₂ laser zaměří na miniaturní kuličky cínu (cca 30 mikronů v průměru), čímž se tvoří ionizované plazma. Z něj pak potřebné záření usměrňuje duté zrcadlo pokryté několika vrstvami molybdenu a křemíku. 

 

 

Je tak zapotřebí celá plazmová komora, výkonný laser (většina jeho energie přijde vniveč), systém pro tvorbu cínových kuliček a zbavování se odpadu po nich a pak je zapotřebí specializovaná optika. EUV v takové vlnové délce totiž materiály velice snadno pohlcují a to tak skrz normální čočky nemůže projít a také se v soustavě musí šířit vakuem. Proto se používají speciální zrcadla a i ta absorbují kolem 30 % EUV, které na ně má, aby toho nebylo málo, ablativní účinek, čili ta postupně degradují. 

 

 

moderní ASML TwinScan NXT scanner pro výrobu pomocí EUV

 

Už jen vytvoření spolehlivého a výkonného zdroje EUV tak byl velký problém, ale v dnešní době se již firmy blíží kýženým výsledkům, aby byly k dispozici mašiny schopné obsloužit 200 až 300 waferů za hodinu, což znamená, že musí být k dispozici zdroje EUV s výkonem 250 W. 

 

Vedle toho je nutné namísto klasických skleněných fotomasek využívat nové vícevrstvé reflektivní fotomasky, což vyžaduje i nové postupy při odhalování jejich defektů, které jsou samozřejmě zcela nežádoucí. 

 

Není tak divu, že se výrobci do EUV zatím příliš nehrnuli a Intel, TSMC, Samsung i GlobalFoundries chtějí na ně přejít až v době, kdy to bude bezpodmínečně nutné, přičemž tato doba se už blíží. Intel navíc naznačil, že když ho použije, tak možná pouze jen pro kritické části, neboť věří, že na EUV se nedá přejít rychle, protože jde o celý výrobní ekosystém, který se mu bude muset přizpůsobit a ostatní výrobci přitakávají.