Imec ו-ASML מנסות לשבור את מחסום ה-3 ננומטר

בתמונה למעלה: המחשה של ASML למכונת ליתוגרפיה עתידית

מכון המחקר הבלגי Imec, המתמחה בטכנולוגיות ייצור שבבים וחברת ASML ההולנדית, המפתחת מערכות ליתוגרפיות מתקדמות לתעשיית הסמיקונדוקטור, הודיעו על פרוייקט משותף לפיתוח טכנולוגיות ייצור שבבים בעלי רוחב צומת שיהיה קטן -3 ננומטר. הפרוייקט יימשך 5 שנים וייעשה בשני שלבים: בשלב הראשון Imec ו-ASML יתמקדו בטכניקות לייצור המוני של שבבים המבוססות על ליתוגרפיה באור אולטרה-סגול קיצוני (EUV). בשלב השני, הן יבחנו את היכולת להשתמש בליתוגרפיית EUV באופטיקה חסרת מימדים (numerical aperture) כדי לייצר שבבים בקנה מידה קטן מ-3 ננומטר, יעד הנחשב כיום נחשב לכמעט בלתי אפשרי.

חוק מור מקצר את אורך הגל

אור אולטרה-סגול קיצוני הינו אור באורך גל קצר של עד 10 ננומטר. בשל אורך הגל הקצר, ליתוגרפיית EUV מאפשרת לחרוט על פרוסת הסיליקון את הקווים המוליכים של המעגל המודפס ברזולוציה דקה יותר לעומת שימוש באור אולטרה-סגול רגיל (אורך גל של 220-190 ננומטר), ובכך להקטין את ממדי הטרנזיסטורים, המוליכים, המבודדים ושאר חלקי השבב. בתחילת העשור החלו בתעשיית השבבים לעשות שימוש ניסיוני בטכנולוגיה של אור סגול קיצוני, שאיפשרה למעשה להמשיך בקצב מזעור השבבים על פי חוק מור ולייצר טרנזיסטורים בתהליכים של 9 ננומטר ו-7 ננומטר. עם זאת, ייצור המוני בטכנולוגיה הזו עדיין קשה מאוד ורק קבלניות ייצור ספורות, כמו TSMC וסמסונג, מתחילות להציע שירותי ייצור המוני במימדים הללו.

כדי להמשיך את תהליך המזעור יש צורך לעשות שימוש באורכי גל קצרים יותר ויותר בספקטרום ה-EUV. עם זאת, שימוש באורכי גל כה קצרים מציב אתגרים פיסיקליים קשים הקשורים לבקרת התהליך, מאחר שקרינה כה חזקה גורמת לפליטת אלקטרונים חופשיים בתהליך הליתוגרפי, המשפיעים על ההתנהגות החשמלית של הטרנזסיסטורים. כמו כן, במימדים ננומטריים כה קיצוניים מתרחשות תופעות קוונטיות בלתי יציבות המקשות על הטיפול בחומרים.

המעבדה של Imec והציוד של ASML

בשלב הראשון של הפרויקט יתקינו שתי החברות בחדר הסטרילי במכון Imec את מערכת הליתוגרפיה מדגם NXE:3400B של ASML, העושה שימוש באור EUV באורך גל של 13.5 ננומטר ומאפשרת לייצר טרנזיסטורים בגודל צומת של 7 ו-5 ננומטר. המהנדסים ינסו לפתור במעבדה את הבעיות הטכניות הנוגעות להיווצרותם של פגמים, אמינות ותשואה בייצור סדרתי במימדים כאלה.

המכונה של ASML משתמשת במקור אור של 250 וואט ומאפשרת תפוקת ייצור של יותר מ-125 פרוסות בשעה, ועל כן עומדת בדרישות של ייצור בהיקפים גבוהים. המערכת תצויד גם בחיישנים מתקדמים שפותחו ב-Imec ומאפשרים בקרה ושליטה בתהליכי הייצור. בנוסף, בתהליכי הניסוי ייעשה שימוש במערכות המטרולוגיות YieldStar ו-HM של ASML, שמאפשרות למדוד בצורה מדויקת יותר מבנים ננומטריים.

בשלב השני של הפרויקט, Imec ו-ASML יקימו מעבדה לפיתוח הדור הבא של ליתוגרפיית EUV המתבססת על אופטיקה חסרת מימדים, אשר תאפשר הדפסה ברזולוציה גבוהה אף יותר ולייצר טרנזיסטורים בצמתים הקטנים מ-3 ננומטר. בשלב זה ייעשה שימוש במערכת הליתוגרפיה מדגם EXE:5000 של ASMI, שצפויה להיות מוכנה ב-2021.

אם יצליחו Imec ו-ASML להתגבר על המכשולים ולהשיג את היעד השאפתני, יהיו לכך השלכות דרמטיות על תעשיית השבבים, שכיום מתקשה לעמוד בקצב ההתקדמות של חוק מור. ייצור המוני של שבבים בקנה מידה כה מזערי יאפשר לדחוס יותר ויותר טרנזיסטורים לפרוסת סיליקון וליצור שבבים בעלי הספק ויכולות עיבוד גבוהים מאי פעם.