Бельгийский исследовательский центр Imec сотрудничает с мировыми лидерами в сфере производства чипов, а потому его руководство может представлять путь развития всей полупроводниковой отрасли на несколько лет вперёд. По его мнению, к 2037 году производители чипов смогут освоить техпроцесс A2, а тремя годами позже удастся преодолеть барьер в 0,1 нм.

Источник изображения: Intel

Если исходить из принятых TSMC обозначений, техпроцесс A2 соответствует литографическим нормам 0,2 нм или 2 ангстрема. Таким образом, в 2040 году полупроводниковая отрасль может преодолеть барьер в 1 ангстрем, если предсказания главы Imec Люка ван ден Хова (Luc Van den hove) оправдаются. Свои заявления он сделал на технологическом форуме в Тайване, работу которого широко освещали местные СМИ.

В следующем году полупроводниковая отрасль приступит к производству 2-нм чипов, причём в рамках этого техпроцесса произойдёт смена структуры транзисторов с FinFET на нанолисты (Nanosheet), а в 2027 году после перехода на техпроцесс A7 будет внедрена структура транзисторов CFET. По мнению представителя Imec, выпуск чипов по технологии A14 будет подразумевать обязательный переход на использование оборудования с высоким значением числовой апертуры (High-NA EUV).

Для TSMC миграция на High-NA EUV становится почти предопределённой. Напомним, что крупнейший в мире контрактный производитель чипов неоднократно заявлял об отсутствии намерений использовать такое оборудование при выпуске продукции по технологии A16. Её тайваньский гигант собирается освоить со второй половины 2026 года.

Не только компания Intel активно приобретает у ASML литографические системы с высоким значением числовой апертуры (High-NA EUV). Один из первых сканеров такого класса расположился в лаборатории ASML и Imec в Нидерландах, и недавно последняя смогла изготовить тестовые чипы с рекордно малыми размерами элементов за один проход, доказав эффективность оборудования класса High-NA EUV.

Источник изображения: Imec

Используя литографическую систему Twinscan EXE:5000 и подготовленную для неё партнёрами оснастку с новыми материалами, Imec изготовила несколько тестовых полупроводниковых структур, обладающих рекордно малыми размерами. В частности, образец логического компонента с металлизированными слоями продемонстрировал размеры элементов не более 9,5 нм с шагом между ними 19 нм, а расстояние по вершинам не превысило 30 нм. Специалистам Imec удалось за один проход создать образец чипа со сквозными отверстиями, расположенными на расстоянии 30 нм друг от друга. Массив отверстий получился регулярным, сами они имели однородную форму и размеры. В рамках экспериментов по созданию длинных двумерных элементов удалось выдержать расстояние между ними не более 22 нм.

Были созданы и структуры, повторяющие ячейки памяти. Это особенно важно с учётом интереса к оборудованию класса High-NA EUV со стороны крупных производителей памяти в лице Samsung, SK hynix и Micron. Если Intel до конца этого года получит уже второй литографический сканер с высоким значением числовой апертуры (0,55), то TSMC рассчитывает получить только первый, причём использовать подобное оборудование в массовом производстве она рассчитывает начать не ранее 2028 года, когда освоит техпроцесс A14.

Imec особо подчёркивает, что успех экспериментов с данным типом оборудования ASML открывает дорогу клиентам компании к началу проектирования продукции, при производстве которой оно будет использоваться. Соответственно, поставщики оснастки и расходных материалов тоже учтут данный опыт в расширении ассортимента своей продукции. Переход на новый класс литографического оборудования сократит количество проходов при экспозиции фотомасок, повысив производительность линий по выпуску чипов. Проблемой пока остаётся только высокая стоимость таких сканеров, поскольку один стоит около 350 млн евро.

Ещё в мае являющаяся лидером в сегменте литографических сканеров компания ASML рассказала о перспективах появления к началу следующего десятилетия систем, позволяющих работать со сверхвысоким значением числовой апертуры — 0,75 (Hyper-NA EUV). Представители Imec утверждают, что и в следующем десятилетии литография не уйдёт от использования лазеров и кремния.

Источник изображения: ASML

Соответствующими соображениями в интервью EE Times поделился директор Imec по передовым программам экспозиции Курт Ронзе (Kurt Ronse). Эта бельгийская компания более 30 лет помогает ASML осваивать новые технологии при разработке литографических сканеров, поэтому говорить о перспективе их дальнейшего развития он имеет полное право. Уже сейчас, готовясь перейти к литографическим сканерам с высоким (0,55) значением числовой апертуры (High-NA EUV), производитель оборудования сталкивается с некоторыми проблемами.

В частности, при таком значении числовой апертуры уже начинает проявлять себя поляризация света, снижая контрастность проецируемого на кремниевую пластину изображения. Для борьбы с нею можно использовать поляризационные фильтры, но они повышают энергопотребление оборудования и себестоимость продукции. При переходе к Hyper-NA EUV, как поясняет представитель Imec, проблемой станет поиск новых фоторезистивных материалов, поскольку даже при значении числовой апертуры 0,55 толщина их слоя уменьшается, а это ухудшает точность последующего химического травления.

По словам Курта Ронзе, TSMC не торопится переходить на High-NA EUV благодаря наличию у компании опыта работы с множественными фотошаблонами. Intel таким опытом в достаточной мере не обладает, а потому предпочитает просто перейти на более дорогое оборудование с более высокой разрешающей способностью. Применение двойного шаблонирования потребовало бы более точного позиционирования фотомасок, компания Intel в этой сфере просто не обладает достаточным опытом. По мнению представителя Imec, компания TSMC решится перейти на использование High-NA EUV ближе к концу текущего десятилетия.

В общем случае, подобное оборудование найдёт своё применение при производстве чипов с использованием литографических норм тоньше 2 нм — вплоть до 7 ангстрем. После этого нужно будет применять литографические сканеры со сверхвысоким значением числовой апертуры (Hyper-NA EUV). Такой переход позволит отказаться от двойного шаблонирования, поскольку последний метод увеличивает затраты на оснастку и удлиняет производственный цикл, повышая себестоимость продукции.

Исследователи рассматривали несколько альтернатив литографическому оборудованию со сверхвысоким значением числовой апертуры, по данным Imec. Одной из них является технология нанопечати транзисторов, но по своей производительности данный метод сильно уступает даже сканеру High-NA EUV. Ещё одной альтернативой считалось использование нескольких направленных потоков электронов для формирования нужного рисунка на кремниевой пластине, но единственный производитель подходящего оборудования разорился.

Применение новых материалов вместо кремния пока тоже затруднено, как поясняет представитель Imec. Существуют материалы с более высокой подвижностью электронов, но их очень сложно нанести на пластину, которая при этом продолжит оставаться кремниевой. Оборудование для нанесения новых материалов будет сочетаться с новыми химикатами, и соответствующие эксперименты уже ведутся в лабораториях, но они пока далеки от массового применения.

Бельгийская компания Imec не только в числе первых получила доступ к новейшему литографическому оборудованию ASML с высоким значением числовой апертуры, но и оказалась в числе партнёров Rapidus, взявшихся помочь консорциуму наладить в Японии производство 2-нм чипов к 2027 году. В Бельгии Imec при субсидировании со стороны властей ЕС построит опытную линию, на которой будет осваивать техпроцессы тоньше 2 нм.

Источник изображения: Imec

Об этом сообщает агентство Reuters одновременно с принятым властями Евросоюза решением выделить Imec и другим исследовательским организациям региона 2,5 млрд евро субсидий. В рамках принятого в 2023 году европейского «Закона о чипах» власти региона могут распоряжаться до 43 млрд субсидий, направляемых на развитие местной полупроводниковой отрасли. Опытная линия Imec важна для мировой полупроводниковой промышленности, но за счёт её создания на территории Бельгии европейские власти надеются ускорить внедрение передовых литографических технологий на региональных мероприятиях.

Партнёрами Imec по реализации проекта станут поставщики оборудования и материалов для производства чипов со всего мира, а нидерландская ASML выразила готовность вложить 1,1 млрд евро собственных средств. Власти Бельгии и ряда других стран Европы дополнительно вложат в создание пилотной линии NanoIC около 1,4 млрд евро.

Примеров успешного получения производителями чипов в Европе подобных субсидий пока не так много. Намеревающаяся построить предприятие во Франции компания STMicroelectronics пока добилась права получить 2,9 млрд евро государственной поддержки, а вот американская Intel и тайваньская TSMC всё ещё ждут, когда им будут предоставлены субсидии на строительство предприятий в Германии, хотя та же TSMC утверждает, что приступит к возведению своего к четвёртому кварталу текущего года. Акционерами так называемой ESMC станут три европейские компании: NXP, Bosch и Infineon, каждая из которых получит по 10 % в капитале совместного предприятия с TSMC.

Бельгийский центр исследований Imec и нидерландская компания ASML подписали меморандум о взаимопонимании для поддержки исследований в области полупроводников и устойчивых инноваций в Европе. Подписание запускает вторую фазу совместной работы этих организаций по разработке оборудования и техпроцессов выпуска чипов с нормами менее 10 нм — до нанометра и менее, что найдёт применение на всех передовых заводах мира.

Так или иначе Imec и ASML участвуют в совместных полупроводниковых проектах свыше 40 лет. В 2018 году они договорились сделать литографические сканеры ещё лучше, чтобы позволить массово выпускать чипы с нормами менее 10 нм. Для этого ASML поставила для экспериментальной линии Imec самый передовой на тот момент сканер NXE:3400B со значением числовой апертуры (NA) 0,33 и запланировала поставку ещё более совершенного сканера EXE:5000 с NA 0,55.

На опытной линии Imec и ASML отрабатывали тонкости производства чипов и работали над усовершенствованием сканеров и оборудования для тестирования, а также испытывали различные составы фоторезиста, методы изготовления фотошаблонов и проводили другие исследования, которые помогли бы в освоении всё более тонких техпроцессов.

Новый договор позволит ещё дальше пойти по этому пути. Теперь ASML отправит для установки на опытную линию Imec ещё более новый сканер — EXE:5200 со значением числовой апертуры 0,55. Кроме этого оборудования в Imec будут отправлены последние модели NXE:3800 с 0,33 NA EUV, иммерсионный сканер DUV (TWINSCAN NXT:2100i), станция оптической метрологии Yieldstar и многолучевой HMI.