Những lời hứa và thách thức của euv tại địa cầu

Một trong những lý do khiến tôi rất thích thú khi ghé thăm GlobalFoundries vào đầu tháng này là để có cơ hội thấy một máy in thạch bản EUV tại chỗ và để nghe về cách công ty dự định sử dụng nó.

Cách đây không lâu, tôi có cơ hội đến thăm một nhà máy ở Connecticut, nơi ASML xây dựng nhiều bộ phận cho một máy EUV như vậy. Những công cụ khổng lồ này sử dụng ánh sáng cực tím (EUV) chiếu qua mặt nạ để phân định các đường cho các tính năng rất nhỏ của chip và là một trong những máy phức tạp nhất trên thế giới. Chúng được thiết kế để thay thế các máy in thạch bản ngâm tiêu chuẩn hiện nay sử dụng ánh sáng có bước sóng 193nm trong một số lớp của quy trình sản xuất chip.

Tóm lại, một máy EUV cực kỳ phức tạp. Như George Gomba, Phó Chủ tịch Nghiên cứu Công nghệ của GlobalFoundries đã giải thích, quá trình này bắt đầu với một tia laser CO2 27 kilowatt được bắn qua một hệ thống vận chuyển và tập trung chùm tia vào các giọt thiếc nhỏ (đường kính khoảng 20 micron) được tạo ra bởi một máy tạo giọt trong một bình plasma. Xung đầu tiên làm phẳng giọt nước và xung thứ hai làm nó bay hơi, tạo ra plasma được tạo ra bằng laser (LPP). Các photon EUV phát ra từ plasma được thu thập bởi một gương đặc biệt phản xạ ánh sáng bước sóng 13, 5nm và bức xạ được truyền đến một điểm tập trung trung gian nơi nó đi vào máy quét và được chiếu qua mặt nạ lên wafer silicon. Gomba, người làm việc bên ngoài cơ sở công nghệ nano Albany, cho biết ông đã làm việc với các hệ thống EUV tiền sản xuất từ ​​năm 2013, và hiện hy vọng EUV sẽ được sản xuất đầy đủ tại GlobalFoundries vào nửa cuối năm 2019.

Những công cụ này phức tạp đến mức chúng đòi hỏi nhiều tháng làm việc chỉ để chúng sẵn sàng bắt đầu sản xuất. Tại Fab 8 của công ty ở Malta, New York, tôi đã thấy hai công cụ EUV đầu tiên đã được cài đặt; một cái đã gần hoàn thành và cái còn lại đang trong quá trình sản xuất, và vẫn còn chỗ cho hai cái nữa.

Có được các công cụ EUV trong tòa nhà là một hoạt động phức tạp. Các fab chính đầu tiên được niêm phong; Sau đó, một cần cẩu được lắp đặt trên trần nhà, và một lỗ được cắt vào bên hông tòa nhà để di chuyển hệ thống mới đồ sộ bên trong. Sau đó, tất nhiên, nó phải được kết nối với các công cụ khác trong nhà máy. Điều này liên quan đến công việc cả trong fab phụ, phải được thiết lập cho công cụ nguồn tạo ra laser được sử dụng trong quy trình, cũng như trong chính phòng sạch. Tất cả phải được thực hiện trong khi giữ cho phần còn lại của fab chạy ở tốc độ tối đa.

Tom Caulfield, SVP & Tổng Giám đốc Fab 8, đã so sánh điều này với "làm phẫu thuật tim trong khi chạy marathon".

Tình trạng của EUV và những gì vẫn cần được giải quyết

Gary Patton, CTO & SVP của R & D toàn cầu cho GlobalFoundries, cho biết 7nm sẽ gặp rủi ro trong sản xuất tại Fab 8 năm nay, và sản xuất đầy đủ vào năm tới, sử dụng kỹ thuật in khắc chìm và tạo hình tứ giác, nhưng không phải EUV. Đa khuôn mẫu mất nhiều thời gian hơn vì nó bao gồm nhiều bước hơn và các vấn đề có thể phát sinh do sự liên kết rất chính xác cần thiết ở mỗi bước, nhưng các công cụ in thạch bản này là phổ biến, được hiểu rõ và sẵn sàng ngày nay. Kế hoạch là sau đó sẽ cung cấp một phiên bản của quy trình 7nm bằng cách sử dụng các công cụ EUV mới.

EUV "chưa sẵn sàng ngày hôm nay", Patton nói, trích dẫn các vấn đề về năng lượng nguồn, chống lại vật liệu và mặt nạ, đặc biệt là với sự phát triển của hạt thích hợp (một màng mỏng đi qua mặt nạ hoặc mặt kẻ ô.)

Hiện tại các máy EUV không nhanh như vậy, với một kỹ sư giải thích rằng họ có thể sản xuất khoảng 125 tấm wafer mỗi giờ, so với khoảng 275 tấm wafer mỗi giờ cho kỹ thuật in khắc chìm. Họ thực sự có thể tiết kiệm thời gian, bởi vì nếu quá trình này làm giảm số lượng đường chuyền cho đa khuôn, nó không chỉ tiết kiệm các bước trong in thạch bản, mà còn trong khắc và chuẩn bị. Do đó, EUV thực sự nên chi phí ít hơn để chạy khi nó sẵn sàng, Caulfield nói.

Gomba lưu ý rằng ý tưởng không chỉ là giảm 3 hoặc 4 lớp quang khắc quang học, mà còn giảm nhiều bước khác nữa, bởi vì giữa mỗi bước in thạch bản, cũng có khắc và xử lý khác trên wafer. Mục tiêu, Gomba nói, là giảm thời gian chu kỳ tới 30 ngày.

Điểm giao nhau có lẽ là hình tứ giác, nhưng phần lớn phụ thuộc vào năng suất (cần được cải thiện, vì các bước in thạch bản của EUV sẽ có ít thay đổi hơn so với nhiều bước in thạch bản ngâm) và cải thiện thời gian chu kỳ. EUV cũng nên cho phép các nhà thiết kế chip hoạt động trong các điều kiện hạn chế hơn nhiều.

Nhưng ông cũng lưu ý rằng có một số vấn đề còn lại cần được giải quyết, đặc biệt là khi nói đến viên. Một kỹ sư khác giải thích rằng bức xạ 13, 5nm được EUV sử dụng bị hấp thụ bởi hầu hết mọi thứ, vì vậy phần bên trong của máy cần phải là chân không. Với EUV, phần lớn năng lượng không đi qua mặt kẻ ô (mặt nạ), mà thay vào đó làm nóng nó lên. Các hạt giúp bảo vệ mặt nạ, nhưng công việc vẫn cần phải được thực hiện để cải thiện lượng ánh sáng đi qua các hạt (truyền), cũng như tuổi thọ của hạt. Điều này đến lượt nó sẽ tác động đến thông lượng, cũng như tuổi thọ của mặt nạ và thời gian hoạt động của toàn bộ máy.

Do đó, Patton cho biết, ban đầu công ty sẽ cung cấp dịch vụ thu nhỏ 7nm với EUV, phần lớn sẽ được sử dụng cho các liên hệ và vias. Điều này một mình có thể cung cấp mật độ tăng 10 đến 15 phần trăm mà không cần đầu tư thiết kế lớn. Khi các vấn đề được giải quyết, Patton nói, EUV có thể và sẽ được sử dụng trong nhiều lớp nữa. (Joel Hruska của ExtremeTech, người cũng tham gia chuyến lưu diễn, có nhiều chi tiết hơn ở đây.)

Patton lưu ý rằng ASML sẽ nhận được "tín dụng to lớn" khi đẩy EUV ra xa như nó có, và nói rằng đó là một "kỳ tích đáng kinh ngạc của kỹ thuật". Khi được hỏi liệu GlobalFoundries có thực sự cam kết thực hiện EUV hay không, Caulfield trả lời rằng công ty đã đầu tư 600 triệu đô la, điều đó có nghĩa là "phải làm điều đó".

FDX và lộ trình cho việc sản xuất chip trong tương lai

Trong một cuộc thảo luận rộng rãi về việc sản xuất chip đang dẫn đầu, Patton, người đã dành một thời gian dài làm việc về công nghệ chip cho IBM, đã giải thích cách thay đổi khái niệm khi chúng ta đi đến cuối Luật Moore. Ông lưu ý rằng trong những năm đầu sản xuất chip, tất cả chỉ là về quy mô phẳng của silicon CMOS. Sau đó, từ 2000-2010, trọng tâm chuyển sang vật liệu mới; bây giờ, phần lớn tập trung vào các bóng bán dẫn 3D (FinFET được sử dụng trong hầu hết các quy trình hàng đầu hiện nay) và xếp chồng 3D.

Đến năm 2020, ông nói, chúng ta sẽ đạt đến giới hạn của kích thước nguyên tử, vì vậy chúng ta sẽ cần tập trung vào các cách đổi mới khác, bao gồm các cách mới để thiết kế bóng bán dẫn (như dây nano thay thế FinFET), các loại chất nền mới (như Hoàn toàn Công nghệ Silicon-on-Insulator đã cạn kiệt mà GlobalFoundries đang phát triển); hoặc các cấp độ tích hợp cấp độ hệ thống mới (như bao bì tiên tiến, quang tử silicon và bộ nhớ nhúng).

GlobalFoundries có hai lộ trình đang hoạt động, Patton nói. Đầu tiên dựa trên công nghệ FinFET hiện tại và được thiết kế cho các thiết bị hiệu suất cao. Tại GlobalFoundries, điều này có nghĩa là chuyển từ quy trình 14nm hiện tại sang sửa đổi quy trình mà nó đang gọi là 12nm, và sau đó vào cuối năm nay sang cái gọi là 7nm. Patton cho biết điều này sẽ phù hợp nhất với bộ xử lý ứng dụng di động và CPU hiệu suất cao và GPUS, với GlobalFoundries hứa hẹn sẽ cải thiện 40% hiệu suất thiết bị và giảm 60% tổng công suất so với quy trình 14nm. Tương tự như vậy, nó sẽ giảm chi phí chết khoảng 30 phần trăm đến 45 phần trăm so với thế hệ trước.

Trong phần này của lộ trình, GlobalFoundries là một khóa học tương tự so với các lộ trình của các fab cạnh tranh, chẳng hạn như TSMC hoặc Samsung.

Nhưng đối với các ứng dụng khác, công ty đang tập trung vào cái mà họ gọi là FDX, thương hiệu của nó cho công nghệ cách điện silicon đã cạn kiệt hoàn toàn. Đây là một công nghệ phẳng, nghĩa là nó không sử dụng bóng bán dẫn 3D và Patton cho biết nó cung cấp một giải pháp hiệu quả hơn về chi phí cho các bộ xử lý di động cấp thấp và trung cấp, cũng như các bộ xử lý cho Internet of Things và nhiều ô tô các ứng dụng. Trong khi một số nghiên cứu cho điều này đang diễn ra tại Malta, quá trình FDX chủ yếu được tổ chức ở Dresden, Đức. Công việc hiện tại về quy trình này là ở cái mà GlobalFoundries gọi là nút FDX 22nm của nó; điều này dự kiến ​​sẽ chuyển sang quy trình 12nm vào năm tới.

Caulfield lưu ý rằng "thu nhỏ là không đủ" và để đi đến nút tiếp theo, GlobalFoundries cũng phải cung cấp nhiều hiệu suất hơn và mang lại giá trị thực cho khách hàng. Ông lưu ý rằng công ty đã bỏ qua 20nm và những gì người khác gọi là 10nm để tập trung vào 7nm và nói rằng nút này giúp giảm 30 đến 45% chi phí trực tiếp so với 14nm, bù đắp phần nào bằng nhu cầu cần thêm mặt nạ cho các bước bổ sung theo yêu cầu của nhiều bước khuôn mẫu.

Caulfield lưu ý rằng hơn một nửa doanh thu của công ty vẫn thuộc về các nút quy trình cũ hơn, chẳng hạn như các nút 28 và 40nm. Nhà máy Singapore của công ty tập trung vào các quy trình 40nm trở lên và các nhà máy sản xuất từ ​​22nm trở lên. Trong khi đó, mọi thứ tại Malta đều tập trung vào các quy trình 14nm và mới hơn.

Trên 7nm, Caulfield cho biết, công ty muốn trở thành một "người theo dõi nhanh", trong khi trên FDX, nó muốn trở thành một nhân tố "gây rối" trên thị trường.

Patton lưu ý rằng GlobalFoundries cho thấy chip thử nghiệm 7nm vào năm 2015, được phát triển cùng với các đối tác IBM và Tổ hợp công nghệ Nano Albany. Ở mức 5nm, công ty đã nói về các nanosheets hoặc các bóng bán dẫn xung quanh và tập trung vào giao tiếp trong mô-đun bằng cách sử dụng bao bì chip 2.5D và 3D trên các bộ chuyển đổi silicon để kết nối các khối bộ nhớ lai và bộ nhớ khác nhau. Với các đối tác của mình, nó đã trình diễn chip thử nghiệm 5nm vào năm ngoái.

Trong nhiều năm, tôi đã rất ấn tượng bởi ngành công nghiệp sản xuất chip đã có thể cải thiện đến mức nào. Thật khó để nghĩ về một ngành công nghiệp khác đã phát triển cho đến nay, và quá nhanh và công việc của các nhà sản xuất công cụ như ASML và fabs như GlobalFoundries là không thể tin được. Những thách thức mà họ phải đối mặt trong việc hiện thực hóa các con chip thậm chí nhanh hơn và thiết kế dày đặc hơn ngày càng khó khăn hơn, nhưng chuyến thăm của tôi nhắc nhở tôi về cả sự phức tạp của các quy trình tiên tiến liên quan và tiến trình mà chúng ta tiếp tục thấy.

Bạn có khả năng giới thiệu PCMag.com như thế nào?