Будущий сканер ASML с высокой числовой апертурой 0,55 (high-NA EUV) стоимостью примерно $300 млн. Источник: презентация ASML

Голландская компания ASML — монополист на рынке оборудования для фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV) с запасом технологического лидерства на несколько лет перед конкурентами. Поэтому задержка следующего поколения сканеров не отразится на прибыли компании, считают источники Seeking Alpha. Даже наоборот, ASML заработает ещё больше на продаже оборудования текущего поколения.

Некоторые эксперты считают, что в нынешней ситуации вообще не до апгрейдов. Дефицит такой сильный, что некоторые производители, наоборот, возобновляют производство микросхем предыдущего поколения, ранее снятые с производства.

Но это конъюнктура рынка. В перспективе TSMC и Samsung, конечно, планируют улучшать технологический процесс. Единственный вопрос был: реализовывать следующие проекты на текущем оборудовании с его апгрейдом до мультипаттернинга (несколько последовательных операций литографии и травления через несколько фотошаблонов с уменьшением узлов до 5/3 нм) — или ждать новой системы EUV с одним шаблоном на 3/2 нм.

Текущий инструмент для литографии в глубоком ультрафиолете — это ASML NXE:3400C, а сканер следующего поколения для EUV-литографии с высокой числовой апертурой (high-NA EUV) будет ASML EXE:5000. Его оснастят совершенно новой оптикой 0,55 NA, что позволит существенно уменьшить размеры элементов для травления на кремниевой пластине.

Как вычисляется числовая апертура и разрешение — две основных характеристики сканера. Источник: презентация ASML

Маршрут световых импульсов от лазера (справа внизу) к прибору подсветки, маске с топологией кристалла через проекционную оптику на кремниевую пластину в реальном сканере ASML

Теперь проблема «решена». Переход на новое оборудование откладывается до 2025 или 2026 года. Уж слишком сложным и дорогими оказались эти системы в производстве, пишет Seeking Alpha. Напомним, что машины весом 180 тонн и размером с двухэтажный автобус сами по себе являются свидетельством сложной логистики в электронной промышленности. Компоненты производят около 5000 поставщиков. Например, немецкая Carl Zeiss производит линзы. Голландская VDL — роботизированные манипуляторы, которые подают пластины в машину. Источники света изготовляет американская компания Cymer, купленная ASML в 2013 году.

Как сообщается, один сканер high-NA EUV будет стоить около $300 млн (сканеры ASML текущего поколения стоят около $180 млн за штуку). Возможно, он станет самым дорогим промышленным прибором в мировой экономике.

В задержке сканеров ASML EXE:5000 нет совершенно ничего страшного. Микросхемы 3 нм можно было производить на новом оборудовании, но теперь, возможно, их будут делать на старых сканерах — в несколько проходов и с применением других архитектур. А сканеры следующего поколения применят для чипов 2 нм.

Текущее оборудование EUV для микросхем 7 и 5 нм использует оптическую систему с числовой апертурой 0,33 NA и одну-две литографические экспозиции. В какой-то момент двойной проход казался простым. Теперь же растут опасения, что двойной шаблон EUV слишком сложен и дорог для многих устройств. А при 3 нм может потребоваться тройной проход, что ещё сложнее.

Фотолитография в глубоком ультрафиолете

На протяжении многих лет производители микросхем планомерно уменьшали размер узла на 30% в каждом поколении, тем самым снижая стоимость каждого транзистора. В свою очередь, это позволяло выпускать более мощные процессоры. Цикл стабильно «тикал» примерно каждые 18 месяцев.

Производство было простым до отметки 20 нм, когда плоские транзисторы упёрлись в стену. Начиная с 2011 года, производители микросхем перешли на транзисторы с вертикальным затвором (FinFET) 22 нм и 16/14 нм.

FinFET работают быстрее и требуют меньше энергии, но их трудно и дорого делать. Таким образом, время перехода на новые узлы выросло с 18 месяцев до 2,5 лет.

Литография тоже столкнулась со сложностями. Процесс литографии начинается с фотошаблона.

Фотошаблон

На фабрике фотошаблон помещают в сканер. Тот проецирует свет через маску на крениевую пластину, создавая на ней узоры, которые потом вытравливаются кислотой. Это простой процесс при размере шага 28 нм, но уже с 20 нм детали становятся слишком плотными, что затрудняет печать отдельных элементов на пластине.

Реалистичный фотошаблон с оптической коррекцией близости. Автор: LithoGuy

Поэтому чипмейкеры перешли на мультипаттернинг, где исходный дизайн разделён на два или несколько более «разреженных» фотошаблонов. Чтобы нанести эти элементы на пластину, производители микросхем используют различные технологические схемы на заводе, в том числе самовыравнивающиеся проставки (self-aligned spacer) и двойное структурирование (double patterning).

Самовыравнивающиеся проставки позволяют избежать смещения фотошаблона. Источник: Lam Research

Двойное структурирование увеличивает плотность. Источник: Lam Research

Самый современный сканер ASML NXE:3400C использует длину волны 13,5 нм и оптическую систему с числовой апертурой 0,33 NA. Источник питания на 246 Вт обеспечивает пропускную способность 170 пластин в час (WPH).

Samsung, TSMC и Intel постепенно переходят на технологические узлы 7 и 5 нм, используя сканеры ASML NXE:3400C. По имеющейся информации, в техпроцессе 7 нм достаточно одного прохода с шагом 40 нм, но уже в 5-нм чипах та же TSMC применяет шаг 30 нм, что близко к физическому пределу на этой апертуре.

Что такое high-NA?

Хотя двойное структурирование по-прежнему остаётся возможным для 5 или даже 3 нм, но это предел для полупроводников с вертикальным затвором. Далее нужно осваивать нанолистовые транзисторы (nanosheet FET).

Нанолистовые транзисторы

Здесь уже не обойтись без новых сканеров ASML с высокой числовой апертурой (high-NA), позволяющей увеличить разрешение картинки на фотошаблоне.

ASML ещё на январской отчётной конференции заявила, что задерживается с внедрением новой версии EUV минимум на три года. Ранее планировалось освоить технологию к 2023 году, а теперь планы откладываются до 2025 или 2026 года.

По мнению экспертов, требуются усовершенствовать ещё ряд технологий, чтобы освоить техпроцесс high-NA. Индустрия работает над ними, но здесь есть несколько неизвестных факторов.

В последние годы производители микросхем параллельно работали над другими архитектурами упаковки чипов (2.5D, 3D-IC и др.), чтобы и дальше масштабировать микросхемы даже в случае задержки high-NA.

Кстати, нынешняя задержка high-NA напоминает, как индустрия надолго застряла на иммерсионной литографии 193 нм, что в итоге увеличило продажи оборудования. Так что с точки зрения бизнеса ASML проблем вообще нет: компания больше заработает на EUV первого поколения. Оно тоже выходило на рынок с большими задержками, и ничего страшного не случилось.

Внедрение сканеров ASML NXE:3400C началось в 2020 году. Из тройки ведущих производителей TSMC, Samsung и Intel первые две компании лидируют по использованию новейшего оборудования ASML для фотолитографии в глубоком ультрафиолете, а Intel планирует перейти на EUV-литографию только в конце 2022 года.