Sliby a výzvy euv na globalfoundries

Jedním z důvodů, proč jsem byl tak zaujatý navštívit GlobalFoundries počátkem tohoto měsíce, byla příležitost vidět litografický stroj EUV na místě a slyšet o tom, jak jej firma plánuje použít.

Nedávno jsem měl možnost navštívit továrnu v Connecticutu, kde ASML staví mnoho komponentů pro takový stroj EUV. Tyto obrovské nástroje využívají extrémní ultrafialové (EUV) světlo prosvícené maskou k vymezení linek pro velmi malé rysy čipů a patří k nejsložitějším strojům na světě. Jsou navrženy tak, aby nahradily současné standardní ponorné litografické stroje, které v některých vrstvách procesu výroby čipů používají světlo s vlnovou délkou 193 nm.

Zkrátka, stroj EUV je neuvěřitelně komplikovaný. Jak vysvětlil George Gomba, viceprezident technologického výzkumu pro GlobalFoundries, proces začíná CO2 laserem o výkonu 27 kilowattů, který je vypalován pomocí paprskového transportu a zaostřovacího systému na malé cínové kapičky (průměr asi 20 mikronů) produkované generátorem kapiček v plazmatické nádobě. První puls zplošťuje kapičku a druhý ji vypařuje, čímž se vytvoří plazma produkovaná laserem (LPP). Fotony EUV emitované z plazmy jsou shromažďovány speciálním zrcadlem, které odráží světlo o vlnové délce 13, 5 nm, a že záření je přenášeno do přechodného zaostřovacího bodu, kde vstupuje do skeneru a promítá se maskou na křemíkový plátek. Gomba, který pracuje v závodě Albany Nanotech, uvedl, že pracuje s předprodukčními systémy EUV od roku 2013 a nyní očekává, že bude EUV v plné produkci na GlobalFoundries do druhé poloviny roku 2019.

Tyto nástroje jsou tak komplexní, že vyžadují měsíce práce jen proto, aby byly připraveny k zahájení výroby. Ve společnosti Fab 8 na Maltě v New Yorku jsem viděl první dva nainstalované nástroje EUV; jeden je téměř kompletní a druhý se připravuje na výrobu a ještě je zde prostor pro další dva.

Získání nástrojů EUV v samotné budově bylo složitou operací. Hlavní fab byl poprvé zapečetěn; pak byl ve stropě nainstalován jeřáb a do boku budovy byla vyříznuta díra, která uvnitř přesunula masivní nový systém. Potom to samozřejmě muselo být spojeno s ostatními nástroji v továrně. Jednalo se o práci jak v sub-fabu, který musel být nastaven pro zdrojový nástroj, který vytváří laser používaný v procesu, tak i v samotné čisté místnosti. Všechno to muselo být provedeno při udržení zbytku poháru v plné rychlosti.

Tom Caulfield, SVP a generální ředitel Fab 8, to srovnával s „prováděním operace srdce při běhu maratonu“.

Stav EUV - a to, co je ještě třeba vyřešit

Gary Patton, CTO & SVP světového výzkumu a vývoje pro GlobalFoundries, uvedl, že 7nm bude letos v produkci rizik na Fab 8 a příští rok plnou produkci s využitím ponorné litografie a quad vzorování, ale nikoli EUV. Multi-patterning trvá déle, protože zahrnuje více kroků a problémy mohou nastat kvůli velmi přesnému zarovnání potřebnému v každém kroku, ale tyto litografické nástroje jsou dnes běžné, dobře srozumitelné a připravené. Plánuje se později nabídnout verzi 7nm procesu s využitím nových nástrojů EUV.

EUV není „připravený dnes, “ uvedl Patton a citoval problémy se zdrojem energie, odolával materiálům a masce, zejména s vývojem správné granule (tenký film, který přes masku nebo síťku přechází).

V současné době nejsou stroje EUV tak rychlé. Jeden technik vysvětluje, že dokáže vyrobit asi 125 oplatek za hodinu, zatímco asi 275 oplatek za hodinu pro ponořenou litografii. Mohou skutečně ušetřit čas, protože pokud proces sníží počet průchodů pro vícenásobné vzory, ušetří to nejen kroky v litografii, ale také při leptání a přípravě. Takže EUV by ve skutečnosti mělo stát méně provozních, když je připraveno, řekl Caulfield.

Gomba poznamenal, že myšlenkou není pouze snížit 3 nebo 4 vrstvy optické litografie, ale také redukovat mnoho dalších kroků, protože mezi každým litografickým krokem je také leptání a další zpracování na oplatce. Gomba řekl, že cílem je zkrátit dobu cyklu až o 30 dní.

Bod přechodu je pravděpodobně čtyřúhelníkový, ale hodně záleží na výtěžku (který by se měl zlepšit, protože litografické kroky EUV by měly mít menší variabilitu než vícenásobné ponorné litografické kroky) a zlepšení doby cyklu. EUV by také měl umožnit návrhářům čipů pracovat za mnohem méně omezujících podmínek.

Také však poznamenal, že zbývá vyřešit několik problémů, zejména pokud jde o granule. Jiný inženýr vysvětlil, že 13, 5nm záření používané EUV se absorbuje téměř vším, takže vnitřek stroje musí být vakuum. U EUV většina energie neprochází sítnicí (maskou), ale místo toho ji zahřívá. Peletka chrání masku, ale stále je třeba pracovat na zlepšení množství světla, které prochází peletou (propustnost), a také na dlouhověkosti peletky. To zase ovlivní propustnost, stejně jako životnost masek a dobu provozu celého stroje.

Výsledkem je, že Patton uvedl, že společnost zpočátku nabídne 7nm zmenšení s EUV, které se použije hlavně pro kontakty a průchody. To samo o sobě může poskytnout 10 až 15 procentní nárůst hustoty bez velké investice do designu. Když budou problémy vyřešeny, řekl Patton, že EUV může a bude použita v mnoha dalších vrstvách. (Joel Hruska z ExtremeTech , který byl také na turné, má více podrobností zde.)

Patton poznamenal, že ASML by měl získat „ohromný kredit“ za tlačení EUV tak daleko, jak je, a řekl, že je to „neuvěřitelný čin inženýrství“. Na otázku, zda je GlobalFoundries skutečně odhodlána dělat EUV, Caulfield odpověděl, že firma provedla investici 600 milionů dolarů, což znamená „to musí udělat“.

FDX a cestovní mapa pro budoucí čipování

V rozsáhlé diskusi o tom, kam směřuje výroba čipů, Patton - který strávil dlouhou kariéru prací na čipové technologii pro IBM - vysvětlil, jak se tento koncept mění, když se dostáváme na konec Mooreova zákona. Poznamenal, že v prvních letech výroby čipů se jednalo pouze o rovinné škálování křemíku CMOS. Poté se v letech 2000–2010 zaměřilo na nové materiály; nyní se velká pozornost zaměřuje na 3D tranzistory (FinFET používané dnes ve většině špičkových procesů) a 3D stohování.

Do roku 2020 uvedl, že dosáhneme limitů atomových dimenzí, takže se budeme muset zaměřit na jiné způsoby inovací, včetně nových způsobů navrhování tranzistorů (jako jsou nanowire nahrazující FinFET), nových druhů substrátů (například Fully Vyčerpaná technologie křemíku na izolátoru GlobalFoundries se vyvíjí); nebo nové úrovně systémové integrace (například pokročilé balení, silikonová fotonika a zabudovaná paměť).

GlobalFoundries má dva cestovní mapy, na kterých pracuje, řekl Patton. První je založen na současné technologii FinFET a je určen pro vysoce výkonná zařízení. V GlobalFoundries to znamená přechod od současného 14nm procesu k revizi procesu, který volá 12nm, a později v tomto roce k tomu, co nazývá 7nm. Patton uvedl, že by to mělo být nejvhodnější pro mobilní aplikační procesory a vysoce výkonné procesory a GPUS. GlobalFoundries slibuje až 40% zlepšení výkonu zařízení a 60% snížení celkového výkonu ve srovnání s 14nm procesem. Stejně přesvědčivé je, že by měla snížit náklady na matrice o zhruba 30 procent až na 45 procent oproti předchozí generaci.

V této části plánu je GlobalFoundries na podobné cestě ve srovnání s plány konkurenčních pohádek, jako jsou TSMC nebo Samsung.

Ale pro jiné aplikace se společnost zaměřuje na to, co nazývá FDX, svou značku pro plně vyčerpanou technologii křemíku na izolátoru. Jedná se o planární technologii, což znamená, že nepoužívá 3D tranzistory, a Patton uvedl, že poskytuje nákladově efektivnější řešení pro mobilní procesory nižší a střední úrovně, jakož i procesory pro internet věcí a mnoho automobilového průmyslu. aplikace. Zatímco některé z těchto výzkumů se odehrávají na Maltě, proces FDX je většinou organizován v německém Drážďanech. Aktuální práce na tomto procesu je tím, co GlobalFoundries nazývá svým 22nm uzlem FDX; toto je naplánováno na přechod na 12nm proces příští rok.

Caulfield poznamenal, že „zmenšení nestačí, “ a že k přechodu na další uzel musí GlobalFoundries také nabídnout vyšší výkon a přinést zákazníkům skutečnou hodnotu. Poznamenal, že firma přeskočila 20nm a to, co jiní nazývají 10nm, aby se zaměřili na 7nm, a řekl, že tento uzel nabízí 30 až 45 procentní přímé snížení nákladů ve srovnání se 14nm, což je do jisté míry kompenzováno potřebou dalších masek pro další kroky, které vyžaduje multi- vzorování.

Caulfield poznamenal, že více než polovina příjmů firmy zůstává na starších procesních uzlech, jako jsou uzly 28 a 40nm. Závod firmy v Singapuru je zaměřen na 40nm a starší procesy a Drážďany vyrábí na 22nm a starší. Mezitím je vše na Maltě zaměřeno na 14nm a novější procesy.

Na 7nm, Caulfield řekl, společnost chce být "rychle následovník", zatímco na FDX, chce být "rušivý" faktor na trhu.

Patton poznamenal, že GlobalFoundries vykázal v roce 2015 testovací čip 7nm, který vyvinul s partnery IBM a Albany NanoTech Complex. V 5nm společnost hovořila o nanosheetech nebo tranzistorech typu gate-all-around a zaměřila se na komunikaci uvnitř modulu pomocí balení 2, 5D a 3D čipů na silikonových interposerech pro připojení různých kostek kostky a hybridní paměti. Se svými partnery loni předvedl testovací čip 5nm.

Po celá léta jsem byl ohromen tím, jak moc se odvětví výroby čipů dokázalo zlepšit. Je těžké pomyslet na jiné odvětví, které se posunulo tak daleko a tak rychle - a práce tvůrců nástrojů, jako je ASML a fabs jako GlobalFoundries, je prostě neuvěřitelná. Výzvy, jimž čelí při realizaci ještě rychlejších návrhů čipů a hustších návrhů, jsou stále obtížnější, ale moje návštěva mi připomněla jak složitost nejmodernějších procesů, tak pokrok, který stále vidíme.

Jak je pravděpodobné, že doporučíte PCMag.com?