Waży 165 ton, kosztuje 1.5 mld PLN. Najnowsza maszyna od ASML.

Producenci chipów ustawicznie dążą do minimalizacji układów – zmniejszenia rozmiarów tranzystorów i pakowania coraz większej ich liczby na płytki krzemowe. Choć to nie jedyny sposób na ulepszenie chipów: nowatorskie architektury również mogą zwiększać wydajność. Najnowszy model ASML, TWINSCAN EXE:5000 stanowi znaczący krok naprzód w zakresie najnowocześniejszej produkcji chipów.

Od lat Świat przesuwa granice możliwości litografii w głębokim ultrafiolecie (deep ultraviolet, DUV). Aby zmniejszyć rozmiar najmniejszej struktury, jaką można wytworzyć, zwanej wymiarem krytycznym (critical dimension, CD), można manewrować dwoma kluczowymi paramentrami: długością fali światła λ i aperturą numeryczną NA. ASML doprowadził obecnie oba te parametry na skraj możliwości. Litografia EUV pozwoliła na spory postęp w zakresie długości fali: wykorzystuje światło o długości 13,5 nm w porównaniu do 193 nm w przypadku systemów DUV o najwyższej rozdzielczości. Kiedy pierwsza przedprodukcyjna platforma litograficzna EUV, NXE, została uruchomiona po raz pierwszy w 2010 roku, zapewniła obniżenie CD z ponad 30 nm w DUV do 13 nm w EUV.

Czym jest litografia High NA EUV?

High NA EUV to kolejny krok w stopniowej miniaturyzacji struktur. Podobnie jak systemy NXE, wykorzystuje światło EUV do drukowania drobnych elementów na płytkach krzemowych. Dzięki wyśrubowaniu parametrów NA, system zapewnia jeszcze lepszą rozdzielczość: nowa platforma, znana jako EXE, oferuje producentom chipów wymiar krytyczny 8 nm. Oznacza to, że mogą drukować tranzystory 1,7 razy mniejsze – a tym samym osiągać gęstość tranzystorów 2,9 razy większą – niż w przypadku systemów NXE.

Większa, anamorficzna optyka zapewniająca ostrzejsze obrazowanie

Najważniejszym postępem w litografii High NA EUV jest nowa optyka. Litery NA w nazwie odnoszą się do apertury numerycznej (numerical aperture), czyli miary zdolności układu optycznego do zbierania i skupiania światła. Nazywa się to High NA EUV, ponieważ zwiększono NA z 0,33 w naszych systemach NXE do 0,55 w systemach EXE (wyższa wartość NA zapewnia systemom lepszą rozdzielczość).

Zwiększenie długości NA oznaczało użycie większych luster. Jednak większe lustra zwiększają kąt, pod jakim światło pada na siatkę, na której znajduje się wzór, który ma zostać wydrukowany. Przy większym kącie siatka traci swój współczynnik odbicia, przez co wzór nie może zostać przeniesiony na płytkę. Problem ten można było rozwiązać poprzez zmniejszenie wzoru o 8x (zamiast 4x stosowanego w systemach NXE), ale wymagałoby to od producentów chipów przejścia na większe siatki. Zamiast tego EXE wykorzystuje innowacyjne podejście: optykę anamorficzną. Zamiast równomiernie zmniejszać drukowany wzór, lustra systemu pomniejszają go 4x w jednym kierunku i 8x w drugim. Rozwiązanie to zmniejszyło kąt, pod jakim światło pada na siatkę i pozwoliło uniknąć problemu odbicia. Co ważne, zminimalizowano także wymagania wobec producentów chipów, umożliwiając dalsze stosowanie siatek o tradycyjnych rozmiarach.

Ze względu na optykę anamorficzną systemy EXE mają pola ekspozycji o połowę mniejsze niż poprzednia generacja NXE. Dlatego potrzeba dwukrotnie większej liczby ekspozycji, aby stworzyć wzór na pojedynczej płytce krzemowej. Dwa razy więcej ekspozycji mogło by oznaczać dwa razy więcej czasu na zadrukowanie płytki krzemowej. ASML zastosowało jednak rozwiązanie, polegające na skróceniu czasu trwania poszczególnych etapów procesu. Etap płytkowy w systemie EXE przyspiesza z prędkością 8g, czyli dwa razy szybciej niż stopień płytkowy w NXE. Etap siatki EXE przyspiesza czterokrotnie szybciej niż NXE – 32 g, co odpowiada prędkości samochodu wyścigowego od 0 do 100 km/h w 0,09 sekundy.

Dzięki nowym etapom TWINSCAN EXE:5000 może drukować ponad 185 płytek krzemowych na godzinę, co stanowi duży postęp w porównaniu z systemami NXE. Jednocześnie, ASML zapowiada dalsze przyśpieszenie produkcji do 220 płytek na godzinę w 2025 roku. Wyższa produktywność była kluczem do udanej integracji High NA w fabrykach chipów, zapewniając opłacalność inwestycji w nową technologię.

W pełni zmontowany TWINSCAN EXE:5000

Litografia High NA EUV umożliwi producentom chipów drukowanie mniejszych elementów na najbardziej zaawansowanych mikrochipach. Jednak w międzyczasie producenci chipów aktywnie poszukiwali rozwiązania problemu ograniczenia rozdzielczości systemów litograficznych poprzez zastosowanie bardziej skomplikowanych procesów produkcyjnych. Rozwiązania te wydłużają jednak czas produkcji i stwarzają dodatkowe możliwości wprowadzenia defektów, pogarszających wydajność chipa. Dzięki CD 8 nm EXE:5000 umożliwia producentom chipów uproszczenie procesów produkcyjnych.

Jak pisze ASML, EXE:5000 reprezentuje bardziej ewolucję litografii EUV, niż rewolucję. W znacznym stopniu wykorzystano dorobek technologii EUV, zmieniając tylko te aspekty, które są niezbędne do zapewnienia większej rozdzielczości i produktywności systemu. Podobnie jak systemy NXE EUV, systemy EXE składają się z modułów, które można niezależnie przetestować przed zintegrowaniem w kompletny system. W ten sposób wszystkie systemy korzystają z doświadczeń zdobytych w ciągu 20 lat rozwoju EUV. Korzystanie ze sprawdzonej technologii zmniejsza ryzyko, że coś pójdzie nie tak. Moduły usprawniają instalację systemu i integrację z fabryką klienta. Oznacza to, że nabywcy zaczną szybciej produkować chipy - klienci rozpoczną prace badawczo-rozwojowe w latach 2024–2025, a w latach 2025–2026 przejdą do produkcji wielkoseryjnej. A krótki harmonogram to dobra wiadomość dla wszystkich.

Montaż TWINSCAN EXE:5000

Rozdzielczość 8 nm EXE:5000 oznacza, że producenci chipów mogą upakować więcej tranzystorów na tej samej powierzchni. Mniejsze tranzystory są bardziej energooszczędne – oznacza to, że chipy będą w stanie zrobić więcej za mniej. Mikro struktury wydrukowane przez EXE:5000 będą stanowić podstawę najbardziej zaawansowanych mikrochipów, a ze względu na produktywność systemu, producenci chipów będą mogli produkować te chipy w ogromnych ilościach.

Pierwszymi chipami wykonanymi przy użyciu EXE:5000 będą chipy logiczne z węzłem 2 nm. Następne będą układy pamięci o podobnej gęstości tranzystorów. Chipy te będą łączyć najdrobniejsze funkcje z najnowocześniejszą architekturą, aby zasilać technologie przyszłości: robotykę, sztuczną inteligencję, internet rzeczy i nie tylko.

Źródło: ASML

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 14 marca 2024. Zapisz się już dziś!