وعود وتحديات euv في جلوبل

أحد الأسباب التي دفعتني إلى زيارة GlobalFoundries في وقت سابق من هذا الشهر كانت لإتاحة الفرصة لي لرؤية آلة الطباعة الحجرية EUV في مكانها ولسماع كيف تخطط الشركة لاستخدامه.

منذ وقت ليس ببعيد ، أتيحت لي الفرصة لزيارة مصنع في ولاية كونيتيكت حيث يقوم ASML ببناء العديد من مكونات جهاز EUV. تستخدم هذه الأدوات الهائلة ضوء أشعة فوق بنفسجية (EUV) لامعًا من خلال قناع لتحديد الخطوط لميزات صغيرة جدًا من الرقائق ، وهي من أكثر الأجهزة تعقيدًا في العالم. لقد تم تصميمها لتحل محل آلات الطباعة الحجرية القياسية التي تستخدم الضوء باستخدام طول موجي يبلغ 193nm في بعض طبقات عملية تصنيع الرقاقات.

في الخلاصة ، فإن آلة EUV معقدة بشكل لا يصدق. كما أوضح جورج جومبا ، نائب رئيس أبحاث التكنولوجيا في GlobalFoundries ، تبدأ العملية باستخدام ليزر ثاني أكسيد الكربون بقدرة 27 كيلو واط يتم إطلاقه عبر نظام نقل شعاع ونظام التركيز على قطرات صغيرة من القصدير (قطرها حوالي 20 ميكرون) ينتجها مولد قطيرات في وعاء البلازما. يقوم النبض الأول بتسوية القطرة ويبخره الثاني ، مما ينتج بلازما تنتج بالليزر (LPP). يتم تجميع فوتونات EUV المنبعثة من البلازما بواسطة مرآة خاصة تعكس ضوء الطول الموجي 13.5 نانومتر ويتم إرسال الإشعاع إلى نقطة تركيز وسيطة حيث يدخل الماسح الضوئي ويتم إسقاطه من خلال قناع على رقاقة السيليكون. قال Gomba ، الذي يعمل في منشأة Albany Nanotech ، إنه يعمل مع أنظمة EUV قبل الإنتاج منذ عام 2013 ، ويتوقع الآن أن تكون EUV في الإنتاج الكامل في GlobalFoundries بحلول النصف الثاني من عام 2019.

هذه الأدوات معقدة للغاية وتتطلب شهورًا من العمل لمجرد إعدادها لبدء الإنتاج. في Fab 8 الشركة في مالطا ، نيويورك ، رأيت أول اثنين من أدوات EUV التي تم تثبيتها. واحد يكتمل تقريبًا والآخر في عملية الإنتاج ، ولا يزال هناك مجال لاثنين آخرين.

كان الحصول على أدوات EUV في المبنى نفسه عملية معقدة. القوات المسلحة البوروندية الرئيسية كانت مغلقة في البداية. بعد ذلك ، تم تثبيت رافعة في السقف ، وثقب في جانب المبنى لتحريك النظام الجديد الهائل في الداخل. بعد ذلك ، بالطبع ، يجب أن يكون متصلاً بالأدوات الأخرى في المصنع. هذا العمل يشمل كلا من القوات المسلحة البوروندية ، والتي كان لابد من إعدادها لأداة المصدر التي تخلق الليزر المستخدم في العملية ، وكذلك في غرف الأبحاث نفسها. كان كل شيء يجب القيام به مع إبقاء بقية القوات المسلحة البوروندية تعمل بأقصى سرعة.

قارن توم كولفيلد ، مدير SVP والمدير العام لـ Fab 8 ، هذا بـ "إجراء جراحة القلب أثناء إجراء الماراثون".

وضع EUV - وما زال يحتاج إلى حل

وقال جاري باتون ، المدير التنفيذي لشركة SVO و SVP من R&D Worldwide for GlobalFoundries ، إن 7nm ستكون في خطر إنتاج في Fab 8 هذا العام ، والإنتاج الكامل في العام المقبل ، باستخدام الطباعة الحجرية والانغماس الرباعي ، ولكن ليس EUV. تستغرق عمليات الزخرفة المتعددة وقتًا أطول لأنها تنطوي على مزيد من الخطوات ، ويمكن أن تنشأ المشكلات نظرًا للمحاذاة الدقيقة للغاية المطلوبة في كل خطوة ، ولكن أدوات الطباعة الحجرية هذه شائعة ومفهومة جيدًا وجاهزة اليوم. تتمثل الخطة في تقديم إصدار لاحقًا من عملية 7nm باستخدام أدوات EUV الجديدة.

وقال باتون إن EUV "ليس جاهزًا اليوم" ، مشيرًا إلى مشكلات تتعلق بقدرة المصدر ، ومقاومة المواد ، والأقنعة ، خاصة مع تطوير الحبيبات المناسبة (فيلم رقيق يمتد فوق القناع أو شبكاني).

آلات EUV ليست حاليًا بهذه السرعة ، حيث أوضح أحد المهندسين أنه يمكنهم إنتاج حوالي 125 رقاقة في الساعة ، مقارنة بنحو 275 رقاقة في الساعة من أجل الطباعة الحجرية. يمكن أن توفر الوقت فعليًا ، لأنه إذا قللت العملية عدد مرات التمرير لأنماط متعددة ، فإنها لا توفر فقط خطوات في الطباعة الحجرية ، ولكن أيضًا في الحفر والتحضير. وقال كولفيلد إنه من المفترض أن تكلف وحدة EUV أقل في الواقع عندما تكون جاهزة.

أشار غومبا إلى أن الفكرة لا تقتصر فقط على تقليص 3 أو 4 طبقات من الطباعة الحجرية الضوئية ، ولكن لتقليل العديد من الخطوات الأخرى أيضًا ، لأنه بين كل خطوة من عمليات الطباعة الحجرية ، يوجد أيضًا نقش ومعالجة أخرى على الرقاقة. وقال جومبا إن الهدف هو تقليل وقت الدورة لمدة تصل إلى 30 يومًا.

من المحتمل أن تكون نقطة التقاطع عبارة عن نقش رباعي ، لكن يعتمد كثيرًا على العائد (والذي يجب تحسينه ، نظرًا لأن خطوات الطباعة الحجرية EUV ينبغي أن تكون أقل تقلبًا من خطوات الطباعة الحجرية المتعددة) وتحسين وقت الدورة. يجب على EUV تمكين مصممي الرقائق من العمل في ظل ظروف أقل تقييدًا.

لكنه أشار أيضًا إلى أنه لا تزال هناك بعض المشكلات التي يتعين حلها ، خاصةً عندما يتعلق الأمر بالقضية. أوضح مهندس آخر أن الإشعاع الذي يبلغ 13.5 نانو متر والذي يستخدمه EUV يتم امتصاصه من قبل كل شيء تقريبًا ، لذلك يجب أن يكون الجزء الداخلي من الماكينة فراغًا. مع EUV ، فإن معظم القوة لا تمر عبر شبكاني (قناع) ، ولكن بدلاً من ذلك تقوم بتسخينه. تساعد الحبيبات على حماية القناع ، ولكن لا يزال يتعين القيام بالعمل لتحسين كمية الضوء التي تمر عبر الحبيبة (pellicle) ، وكذلك طول مدة الحبيبة. سيؤثر هذا بدوره على الإنتاجية ، وكذلك على طول عمر الأقنعة ووقت تشغيل الجهاز ككل.

نتيجة لذلك ، قال Patton ، ستقدم الشركة مبدئيًا تقلصًا قدره 7nm مع EUV ، والذي سيتم استخدامه في الغالب للاتصالات والتمييز. هذا وحده قد يوفر زيادة بنسبة 10 إلى 15 في المائة في الكثافة دون استثمار كبير في التصميم. عندما يتم حل المشكلات ، قال باتون ، فإن EUV يمكن وسيستخدم في العديد من الطبقات. (جويل Hruska من ExtremeTech ، الذي كان أيضا في الجولة ، لديه مزيد من التفاصيل هنا.)

أشار باتون إلى أنه يجب على ASML الحصول على "ائتمان هائل" لدفعه إلى حد ما ، وقال إنه "عمل فذ لا يصدق للهندسة". عندما سئل عما إذا كانت GlobalFoundries ملتزمة حقًا بالقيام ببرنامج EUV ، أجاب كولفيلد أن الشركة قد قامت باستثمار 600 مليون دولار ، وهو ما يعني "يتعين عليها القيام بذلك".

FDX وخريطة الطريق لرقاقة المستقبل

في مناقشة واسعة النطاق حول اتجاه صناعة الرقائق ، أوضح باتون - الذي أمضى فترة طويلة في العمل في تكنولوجيا الرقائق لشركة آي بي إم - كيف يتغير المفهوم مع وصولنا إلى نهاية قانون مور. وأشار إلى أنه في السنوات الأولى من تصنيع الرقاقات ، كان الأمر كله يتعلق بالتوسيع المستوي للسيليكون CMOS. ثم ، من 2000-2010 ، تحول التركيز إلى مواد جديدة. الآن ، يتم التركيز بشكل كبير على الترانزستورات ثلاثية الأبعاد (FinFETs المستخدمة في معظم العمليات الرائدة اليوم) والتكدس ثلاثي الأبعاد.

وقال إنه بحلول عام 2020 ، سوف نصل إلى حدود الأبعاد الذرية ، لذلك سنحتاج إلى التركيز على طرق أخرى للابتكار ، بما في ذلك طرق جديدة لتصميم الترانزستورات (مثل الأسلاك النانوية التي تحل محل FinFETs) ، وأنواع جديدة من الركائز (مثل Fully) تكنولوجيا السيليكون المستنفد المستنفد (GlobalFoundries) تتطور) ؛ أو مستويات جديدة من التكامل على مستوى النظام (مثل التعبئة المتقدمة ، الضوئيات السيليكون ، والذاكرة المدمجة).

وقال باتون إن GlobalFoundries لديها خارطة طريق تعملان عليها. الأول يعتمد على تقنية FinFET الحالية ، وهو مصمم للأجهزة عالية الأداء. في GlobalFoundries ، يعني هذا الانتقال من عملية 14nm الحالية إلى مراجعة العملية التي تسمى 12nm ، ثم في وقت لاحق من هذا العام إلى ما تسميه 7nm. وقال باتون إنه يجب أن يكون هذا هو الأنسب لمعالجات تطبيقات الأجهزة المحمولة ووحدات المعالجة المركزية عالية الأداء و GPUS ، حيث وعدت GlobalFoundries بتحسين أداء الأجهزة بنسبة 40 في المائة ، وتخفيض إجمالي الطاقة بنسبة 60 في المائة مقارنة بعملية 14nm. بنفس القدر ، يجب أن تقلل تكاليف الموت بحوالي 30 بالمائة إلى 45 بالمائة مقارنة بالجيل السابق.

في هذا الجزء من خريطة الطريق ، تعمل GlobalFoundries على مسار مشابه مقارنةً بخرائط طريق القوات المسلحة البوروندية المتنافسة ، مثل TSMC أو Samsung.

أما بالنسبة للتطبيقات الأخرى ، فإن الشركة تركز على ما تسميه FDX ، علامتها التجارية لتكنولوجيا السيليكون العازل المنضب بالكامل. هذه تقنية مستوية ، بمعنى أنها لا تستخدم الترانزستورات ثلاثية الأبعاد ، وقالت باتون إنها توفر حلاً أكثر فعالية من حيث التكلفة لمعالجات المحمول المنخفضة ومتوسطة المستوى ، وكذلك معالجات لإنترنت الأشياء والعديد من السيارات التطبيقات. بينما يتم إجراء بعض الأبحاث حول ذلك في مالطا ، يتم تنظيم عملية FDX في معظمها في درسدن ، ألمانيا. العمل الحالي على هذه العملية هو في ما يسميه GlobalFoundries العقدة 22nm FDX ؛ هذا من المقرر الانتقال إلى عملية 12nm العام المقبل.

أشار كولفيلد إلى أن "الانكماش ليس كافيًا" ، وأنه حتى الانتقال إلى العقدة التالية ، يتعين على GlobalFoundries أيضًا تقديم المزيد من الأداء وتحقيق قيمة حقيقية للعملاء. وأشار إلى أن الشركة تخطت 20nm وما يسميه الآخرون 10nm للتركيز على 7nm وقال إن هذه العقدة تقدم تخفيضًا مباشرًا في التكلفة بنسبة 30 إلى 45 بالمائة مقارنة بـ 14nm ، ويقابلها إلى حد ما الحاجة إلى مزيد من الأقنعة للخطوات الإضافية المطلوبة بواسطة multi-nm الزخرفة.

أشار كولفيلد إلى أن أكثر من نصف إيرادات الشركة تظل على عقد عملية أقدم ، مثل العقدتين 28 و 40 نانومتر. يركز مصنع الشركة في سنغافورة على العمليات التي يبلغ طولها 40 نانومتر والأقدم ، بينما تقوم دريسدن بتصنيعها على ارتفاع 22 نانومتر وما فوق. وفي الوقت نفسه ، كل شيء في مالطا يركز على 14nm وعمليات أحدث.

في 7nm ، قال كولفيلد ، الشركة تريد أن تكون "متابعا سريعا" ، بينما في FDX ، فإنها تريد أن تكون عاملا "مزعجا" في السوق.

أشار باتون إلى أن GlobalFoundries قد أظهرت شريحة اختبار 7nm في عام 2015 ، والتي طورتها مع شركاء IBM و Albany NanoTech Complex. في الساعة الخامسة مساءً ، تحدثت الشركة عن صفائح نانوية أو ترانزيستورات شاملة ، والتركيز على الاتصال داخل الوحدة باستخدام عبوة رقاقة 2.5D و 3D على أدوات تداخل السيليكون لتوصيل مكعبات ذاكرة مختلفة ومختلطة. مع شركائها ، أظهرت شريحة اختبار 5nm العام الماضي.

لسنوات ، أعجبت بمدى قدرة صناعة الرقاقات على التحسن. من الصعب التفكير في صناعة أخرى قطعت شوطًا كبيرًا حتى الآن ، وبسرعة كبيرة - والعمل الذي قام به صانعو الأدوات مثل ASML و fabs مثل GlobalFoundries هو أمر لا يصدق. تزداد صعوبة التحديات التي يواجهونها في تحقيق تصميمات للرقائق والأكثر كثافة ، لكن زيارتي ذكّرتني بكل من تعقيد العمليات المتطورة والتقدم الذي لا نزال نشهده.

ما مدى احتمال أن توصي PCMag.com؟