Перспективы и вызовы в мире литографии
TSMC, ведущий мировой производитель полупроводников, готовится к установке своей первой High-NA EUV литографической системы, но, несмотря на лидерство в применении EUV технологий, компания отстает от Intel в использовании High-NA EUV систем. В то время как Intel уже использует оборудование ASML для исследований и разработок, TSMC только начинает установку. В этой статье мы рассмотрим, что это означает для компании и индустрии в целом.
Установка первой High-NA EUV системы TSMC
Согласно отчетам DigiTimes и United Daily News, TSMC начнет установку своей первой ASML Twinscan EXE:5000, предназначенной для исследований и разработок, в центре НИОКР в Хсиньчу, Тайвань. Ожидается, что процесс получения компонентов начнется в этом месяце, и пройдет несколько месяцев до полной сборки и калибровки оборудования. Это позволит компании протестировать технологии производства полупроводников следующего поколения в своем центре в Тайване.
Что такое High-NA EUV?
Производители микрочипов на протяжении десятилетий полагались на уменьшение размеров транзисторов и увеличение их плотности на кремниевых пластинах, чтобы стимулировать развитие технологий. Хотя существуют и другие способы улучшения микрочипов, такие как новые архитектуры, уменьшение размеров транзисторов остаётся основным фактором, влияющим на производительность компьютерных систем. Это и есть основа закона Мура, который вот уже более 50 лет определяет экспоненциальный рост вычислительных мощностей.
Пределы традиционной литографии
На протяжении многих лет в производстве микрочипов использовалась глубокая ультрафиолетовая (DUV) литография, которая достигла своих пределов. Чтобы уменьшить размер самого маленького элемента, который можно напечатать, известного как критический размер (CD), инженеры могли варьировать длину волны света (λ) и числовую апертуру (NA). Однако возможности для дальнейшего уменьшения этих параметров в системах DUV практически исчерпаны.
Переход к экстремальной ультрафиолетовой (EUV) литографии
Переход на EUV литографию стал настоящим прорывом. EUV использует свет с длиной волны 13,5 нм, по сравнению с 193 нм в системах DUV. Первые предсерийные платформы EUV, такие как NXE, которые начали поставляться в 2010 году, позволили сократить критический размер с более чем 30 нм в DUV до 13 нм в EUV.
Система High NA EUV – это следующий шаг в стремлении к уменьшению размеров транзисторов. Подобно системам NXE, она использует EUV свет для печати мельчайших элементов на кремниевых пластинах. Однако, благодаря изменению параметра NA, новая платформа EXE предлагает еще более высокое разрешение, позволяя достичь критического размера в 8 нм. Это значит, что производители микрочипов могут печатать транзисторы, которые в 1,7 раза меньше и обеспечивают плотность транзисторов в 2,9 раза больше, чем в системах NXE.
Пять ключевых особенностей литографии High NA EUV
1. Анаморфные оптики: революционное решение
Главным достижением технологии High NA EUV литографии стали новые оптические системы. Термин 'NA' в названии обозначает числовую апертуру – меру способности оптической системы собирать и фокусировать свет. В системах EXE по сравнению с системами NXE, числовая апертура увеличена с 0,33 до 0,55. Это повышение апертуры и обеспечивает улучшенное разрешение.
Однако внедрение этой технологии потребовало использования больших зеркал, что увеличило угол, под которым свет попадает на ретикул (сетку) несущий изображение для печати. При большем угле ретикул теряет свою отражательную способность, что мешает переносу изображения на пластину. Для решения этой проблемы в EXE используется инновационный дизайн: анаморфные оптики. Вместо того, чтобы уменьшать изображение равномерно, зеркала системы уменьшают его в 4 раза в одном направлении и в 8 раз в другом. Это решение позволило уменьшить угол, под которым свет попадает на ретикул, и избежать проблемы отражения, при этом сохранив возможность использования традиционных ретикулов.
2. Ускоренные платформы: повышение производительности
Из-за использования анаморфных оптик в системах EXE, их поля экспозиции вдвое меньше, чем у предшественников - NXE. Это означает, что для нанесения рисунка на одну пластину требуется вдвое больше экспозиций. Однако эта проблема была воспринята как вызов. Решение было найдено - значительно более быстрые платформы для пластин и ретикулов. Платформа для пластин в системе EXE ускоряется с силой 8g, что вдвое быстрее, чем в системе NXE. Платформа для ретикулов ускоряется в четыре раза быстрее – с силой 32g, что эквивалентно разгону гоночного автомобиля от 0 до 100 км/ч за 0,09 секунды.
С новыми платформами TWINSCAN EXE:5000 может печатать более 185 пластин в час, что превышает производительность систем NXE, используемых в массовом производстве. В планах на 2025 год – увеличение этой цифры до 220 пластин в час. Эта производительность является ключевым фактором для экономической целесообразности интеграции High NA в фабрики по производству микросхем.
3. Эффективное производство: снижение затрат
Технология High NA EUV позволяет производителям микрочипов печатать самые мелкие элементы на самых современных микрочипах. Однако, пока эта технология не была доступна, производители использовали более сложные производственные процессы для обхода ограничений разрешения своих систем литографии.
Эти обходные решения увеличивали время производства и создавали дополнительные риски появления дефектов, которые могли бы повлиять на производительность самих микросхем. С критическим размером 8 нм, система EXE:5000 позволяет упростить производственные процессы, что делает производство продвинутых микрочипов более экономически выгодным.
4. Цельность и модульность: оптимизация производительности
EXE:5000 представляет собой эволюцию EUV литографии, а не революцию. AMSL использовали существующие EUV технологии и изменили только те аспекты, которые были необходимы для достижения улучшений в разрешении и производительности системы.
5. Перспективы развития: дорога к будущему
Технология High NA EUV литографии открывает новые горизонты для микроэлектроники. Улучшенное разрешение и производительность, а также возможность использования традиционных ретикулов, делают её привлекательной для производителей микрочипов. Она позволяет не только соблюдать закон Мура, но и расширять его, предоставляя возможность создания ещё более мощных и технологически продвинутых устройств. Это достижение становится важным фактором, обеспечивающим прогресс в различных сферах, от бытовой электроники до научных исследований.
Текущие и будущие технологии TSMC: вызовы High-NA EUV
Текущие технологии TSMC, такие как N2 (класс 2 нм) и A16 (класс 1,6 нм), будут использовать традиционные EUV оборудования с оптикой 0.33 числовой апертуры. Возможность использования High-NA EUV инструментов с оптикой 0.55 числовой апертуры появится лишь с технологией A14 (класс 1.4 нм), не раньше 2028 года. Однако использование High-NA EUV инструментов сопряжено с вызовами, такими как уменьшение размера ретикул на половину, что может осложнить жизнь как разработчикам чипов, так и производителям.
Высокая стоимость High-NA EUV систем: оправданы ли затраты?
Одной из причин, по которой TSMC не спешит переходить на High-NA EUV системы, является их высокая стоимость. Кевин Чжан, ответственный за развитие новых технологий в TSMC, ранее отмечал, что, хотя ему нравится производительность High-NA инструментов, цена оставляет желать лучшего. Каждое High-NA литографическое оборудование стоит около $400 миллионов. Однако президент TSMC, C.C. Вэй, смог договориться о скидке почти в 20%, объединив покупку нового оборудования с другими приобретениями у ASML.
TSMC и ASML: взгляд в будущее
TSMC уже является ведущим пользователем EUV литографических систем, контролируя около 65% мировых мощностей. Это делает его важным партнером для ASML. Несмотря на высокую стоимость, такие компании, как TSMC, продолжают инвестировать в передовые технологии, чтобы оставаться конкурентоспособными на глобальном рынке.
High NA EUV литография открывает новую страницу в истории микроэлектроники. Она не только поддерживает закон Мура, но и позволяет его расширить, предоставляя возможность создавать еще более мощные и технологически продвинутые устройства. В условиях стремительного развития технологий это достижение становится важным фактором, обеспечивающим прогресс в различных сферах, от бытовой электроники до научных исследований.
Установка первой High-NA EUV системы — это лишь первый шаг для TSMC в освоении этой передовой технологии. Хотя компания сталкивается с рядом вызовов, связанных с высокой стоимостью и техническими сложностями, ее партнерство с ASML и лидерство в области EUV технологий дают надежду на успешное преодоление этих препятствий. В ближайшие годы мы, вероятно, увидим, как TSMC продолжит укреплять свои позиции на рынке полупроводников, внедряя инновации и адаптируясь к новым вызовам.
Источник: asml.com, TSMC
Понравилась статья, ставьте лайк и подписывайтесь на наш канал и Вы получите еще большей новостей из мира науки и техники.