Počítačové čipy a hranice pokroku: kam spěje polovodičový průmysl?

 

EUV či EUVL, neboli extrémní ultrafialová litografie byla dlouho oddalovaným klíčem pro dosažení pokroku v dalším zmenšování tranzistorů. Počítalo se s ní už i pro 32nm proces firmy Intel, později firma TSMC uvažovala o její nasazení ve svém 22nm procesu, ale jak to dopadlo, to dobře víme. Intel EUVL stále do běžné výroby nezavedl a s tím můžeme počítat až za cca rok a půl při spuštění jeho 7nm procesu. Zůstává tu tak TSMC a Samsung a tyto firmy EUVL po nesmělém začátku na 7nm třídě procesů už běžně používají. 

 

EUVL už tak není "vapourware", jak jsme ji netaktně označovali v roce 2017, i když jde o přiléhavé označení pro technologii, která byla tolikrát odložena a potýkala se s tolika problémy ve vývoji. 

 

 

Dnes ostatně dokáže vhodné stroje použitelné ve výrobě dodávat na trh jediná společnost, a sice nizozemská ASML, na jejíž EUV řadu TwinScan se stojí dlouhé fronty a lze říci, že ASML aktuálně drží v rukou budoucnost výroby počítačových čipů, což může být důvodem k nervozitě. 

 

Na druhou stranu ale vývoj v této oblasti vypadá dobře, ať už jde o vývoj vskutku exotického zdroje extrémního ultrafialového záření nebo další potřebné výbavy. Vše se to v podstatě točí kolem vlastností EUV záření, které je pohlcováno v podstatě vším - vzduchem i sklem. Jako zdroj se tak používá CO2 laser zaměřující miniaturní kuličky cínu (cca 30 mikronů v průměru), čímž se tvoří ionizované plazma. Z něj pak potřebné záření usměrňují zrcadla pokrytá několika vrstvami molybdenu a křemíku, neboť klasickou optiku s čočkami zde nelze použít a i tak do cíle dorazí značně oslabené záření, čili o to silnější musí být jeho zdroj. 

 

Co se týče vývoje celé EUV technologie, ta samozřejmě nespadala jen na bedra firmy ASML. Museli se o ni zasloužit také samotní výrobci, kteří museli činit řadu kompromisů i s ohledem na krycí membrány pro fotolitografické masky. Tyto membrány totiž musí být schopny ochránit masky před nečistotami a zároveň musí také propouštět EUV záření, což nebylo snadné zajistit, zvláště když tu mluvíme i o provozních podmínkách s teplotami 600 až 1000 °C. 

 

A jak jsme se letos dozvěděli, právě ASML už má k dispozici materiál tvořený křemičitany s příměsí kovů, který dokáže propustit až 90,6 % záření, což už je dostatečně dobré pro nasazení v praxi a určitě lepší než výroba čipů zcela bez těchto membrán, kde se muselo počítat se znatelně nižší výtěžností. 

 

 

Počet vrstev tvořených čipů, pro něž se využívají EUV stroje, tak postupně roste a dle ohlasů výrobců je tak možné počítat se snadnějším vývojem budoucích procesů, neboť s EUV zářením se snižuje počet celkových kroků, díky čemuž může být výroba celkově rychlejší (zvláště s plánovanými výkonnějšími EUV stroji) a především je tu méně prostoru pro chyby. 

 

 

To nám pěkně ilustruje i tento graf od firmy TSMC, který ukazuje vývoj výskytu defektů v čipech, který postupně v případě 10, 7 a 5nm procesů klesá, což lze přisoudit právě nasazením EUVL. Nyní by tak měla být defektnost čipů tvořených 5nm procesem výrazně pod 0,1, čili pod průměrem 0,1 na čtverečný centimetr. To znamená, že na 300mm waferu zpracovaném 5nm procesem by mělo být v průměru kolem 70 chyb. 

 

Postupně se také bude tato technologie vyvíjet a v dalším kroku přinese firma ASML už verzi High-NA EUV, která bude určena pro stroje EXE:5000 vybavené lepší optikou. NA je zkratka pro číselnou/numerickou aperturu, která značí schopnosti optiky s ohledem na rozlišovací schopnosti, hloubku ostrosti a množství světla, které jí prochází a vyjadřuje se bezrozměrnou hodnotou. High-NA jsou pro ASML stroje s alespoň 0,55 a low-NA mají 0,33. High-NA jsou otázkou budoucnosti a půjde v jejich případě především o výsledný výkon, čemuž také odpovídají požadavky na zdroj EUV záření, které musí mít alespoň 500 W (dnes stačí cca polovina). High-NA EUV má nastoupit v době 3nm výrobních procesů a těžko říci, co by ji mohlo nahradit, pokud to vůbec něco bude. 

 

Nástup EUVL je tak jednoznačně pozitivní pro možnost vývoje dalších výrobních procesů, kde bude vhodné či už přímo nutné tvořit pokročilejší tranzistory s lepšími vlastnostmi než FinFET. A ty jsou strukturálně mnohem složitější.