סמסונג החלה בייצור המוני של שבבים בתהליכי 7 ננומטר ו-6 ננומטר

חטיבת שירותי הייצור של סמסונג, Samsung Foundry, החלה בייצור המוני במתקן הייצור החדש בעיר וואסונג בקוריאה. המתקן החדש בשם V1, הוא המפעל הראשון של סמסנוג המייצר שבבים בליתוגרפיית אור סגול (Extreme Ultraviolet – EUV) ומיועד לייצור שבבים בגיאומטריה של 7 ננומטר, 6 ננומטר ואפילו פחות מכך. עבודות ההקמה של המפעל הסתיימו בפברואר 2018 והייצור הנסיוני החל רק במחצית השנייה של 2019. החברה דיווחה שהשבבים הראשונים יימסרו ללקוחות ברבעון הראשון של 2020.

בשלב הראשון המפעל מייצר שבבים לטלפונים ניידים בגיאומטריה של 6/7 ננומטר, ובעתיד הוא ייצר שבבים בטכנולוגיה של 3 ננומטר. החברה לא מסרה מי הן הלקוחות הראשונים, אולם בשנת 2018 היא חתמה על הסכם עם קואלקום לייצור שבבי Snapdragon 5G במפעל החדש בטכנולוגיה של 7 ננומטר.

בסך הכל, עד סוף 2020 יסתכמו ההשקעות של סמסנוג בהקמת המפעל בכ-6 מיליארד דולר. בעקבות כניסת המפעל לייצור, כולל תשתית הייצור של סמסנוג 6 מפעלים הפועלים בקוריאה ובארצות הברית, בהם מפעל אחד המייצר שבבים בפרוסות סיליקון בקוטר של 200 מ"מ, וחמישה מפעלים המייצרים בפרוסות סיליקון בקוטר של  300 מ"מ.

טכנולוגיית EUV של סמסנוג

כאשר מייצרים שבבים, הם נבנים במתכונת של שכבה על-גבי שכבה. במהלך הייצור של כל שכבה, פרוסת הסיליקון מצופה בחומר רגיש לאור. בשלב הבא מאירים אזורים מוגדרים על גבי השכבה באמצעות מכשיר לייזר (scanner) או באמצעות אור המועבר דרך מסיכה בתהליך הקרוי פוטוליתוגרפיה. באמצעות תהליכים כימיים מסירים את האזורים המוארים ומייצרים על-ידי כך מבנה של טרנזסיטורים, שכבה אחר שכבה.

בטכנולוגיית EUV, מכשיר הלייזר הסורק מאפשר לייצר קווי חומר דקים מאוד באמצעות שימוש באורכי גל של אור אולטרא-סגול קיצוני, עד 13.5 ננומטר. בחודש אפריל 2019 דיווחה סמסנוג שהיא השלימה את הפיתוח של תהליך EUV המאפשר לייצר שבבים הבנויים מטרנזיסטורי FinFET בגיאומטריה של 5 ננומטר.

בהשוואה לטכנולוגיית 7 ננומטר הנוכחית, שטח הרכיבים החדשים קטן ב-25%, הביצועים שלהם טובים ב-10% וצריכת ההספק שלהם נמוכה בכ-20%. החברה דיווחה שניתן לבצע את המעבר מ-7 ננומטר ל-5 ננומטר בלא צורך לבצע שינויים בתכנון המעגל.

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.