ASML готовится к выпуску EUV-степперов с высокой числовой апертурой

ASML готовится к выпуску EUV-степперов с высокой числовой апертурой

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г.
РУБРИКА: ОБОРУДОВАНИЕ

Вопросы дальнейшего масштабирования ИС тесно связаны с перспективами развития литографии с использованием предельной УФ-области спектра (EUV, длина волны излучения EUV-степперов – ​13,5 нм). Предполагается, что использование EUV-литографии с методиками многократного формирования рисунка позволит продлить срок действия т. н. «Закона Мура» еще на 10 лет. Единственным производителем EUV установок пошаговой литографии в настоящее время является корпорация ASML (Велдховен, Нидерланды).

Фирма ASML планирует внедрить новое оборудование литографии с источником излучения в предельной УФ-области спектра (EUV, длина волны излучения – ​13,5 нм), что, как предполагается, продлит действия т. н. «Закона Мура» как минимум на десять лет. Начиная с первой половины 2023 г. клиентам будет предлагаться оборудование с увеличенной (с 0,33 до 0,55) числовой апертурой (NA). Считается, что новое оборудование поможет производителям ИС достичь проектных норм порядка 2 нм. Специалисты ASML ожидают, что производители ИС первоначально будут использовать оборудование с NA=0,55 в рамках экономичного процесса однократного формирования рисунка для формирования на пластинах слоев рисунков (структур) с минимальными проектными нормами. Для формирования рисунков с более зрелыми проектными нормами будут использоваться процессы многократного формирования рисунка на оборудовании с NA=0,33, а также процессы литографии, предшествующие EUV-технологии. По мере того, как примерно через шесть лет технология однократного формирования рисунка с NA=0,55 достигнет своих пределов, производители ИС снова прибегнут к методикам многократного формирования рисунка для формирования структур с меньшими проектными нормами, обеспечивающими более высокую плотностью размещения транзисторов.

Голландская фирма является единственным в мире поставщиком EUV-оборудования. В 2010 г. ASML поставила первую опытную EUV-установку нераскрытому азиатскому заказчику. Сегодня производство полупровод-никовых приборов разделено на «имеющих» и «лишенных доступа» к EUV-оборудованию. К первым относятся, в частности, корпорации Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), Samsung и Intel, производящие перспективные ИС для таких клиентов, как Apple, MediaTek и Qualcomm. Ряд других производителей, которые ранее отказались от освоения проектных норм менее 14/12 нм и связанных с этим многомиллиардных (в долларах) капитальных затрат, сосредоточившись на повышении рентабельности за счет глубокой модернизации зрелых технологических процессов (например GlobalFoundries), попросту не нуждаются в EUV-литографии [1].

EUV-установки пошаговой литографии (степперы) ASML столь же дороги, сколь и инновационны. Каждая из них стоит около 150 млн долл., содержит более 100,0 узлов и деталей, два километра кабелей (см. рисунок). Это логистический кошмар поиска и сборки.



Источник: ASML

Рисунок. Одна из последних установок EUV-литографии фирмы ASML.


Первая опытная EUV-установка с NA=0,55 будет тестироваться в течение 2022 г. Первой использовать такие степперы для производства ИС будет корпорация Intel, желающая использовать их в массовом производстве уже в 2023 г. Корпорация недавно приступила к процессу восстановления лидерства в технологиях обработки пластин и корпусирования ИС (стратегия IDM 2.01), и EUV-оборудование с высокой NA являются ключевой частью этого плана. Если инициатива IDM 2.0 имеет хоть -какие-то шансы на успех, ей нужна вся помощь, которую Intel может получить от ASML.

TSMC также заинтересована в приобретении как можно большего числа установок литографии следующего поколения. На тайваньскую компанию в настоящее время приходится половина всей установленной базы EUV-оборудования и она планирует расширить мощности с за счет создания двух «гигазаводов» по обработке пластин с использованием 2‑нм технологии. По иронии судьбы, TSMC раньше не верила в EUV-литографию, но сегодня она является крупнейшим клиентом ASML – ​благодаря настойчивости одного из своих крупнейших заказчиков, корпорации Apple, в том, что EUV-литография является ключом к созданию более миниатюрных, производительных и энергоэффективных ИС.

Освоение позволило TSMC обогнать корпорации Intel и Samsung, но Intel может переломить ситуацию, став первой внедрившей технологию EUV с высокой NA. В то же время Samsung также активно осваивает EUV-литографию (она первой внедрила ее в опытное и серийное производство ИС – ​летом 2018 г. и в 2019 г. соответственно), что в значительной степени направлено на расширение контролируемой части мирового рынка полупроводниковых приборов. Samsung получила значительную выгоду от своих инвестиций в размере 306 млн долл., которые она вложила в ASML более десяти лет назад, и выражает заинтересованность в получении стабильных поставок современного EUV-оборудования [2].


Лишенные доступа

«Лишенными доступа» к EUV-литографии являются китайские компании, такие как Semiconductor Manufacturing International Corp. (SMIC). Они утратили возможность приобретать EUV-оборудование в прошлом году, когда Белый дом в разгар «Холодной технологической вой-ны» между США и КНР включил их в свой список «запретных организаций» (Entity List). По мнению отраслевых экспертов, китайские компании вряд ли получат разрешение от правительства США на покупку новейших EUV-установок фирмы ASML. При этом EUV-оборудование также не будет поставляться на заводы транснациональных (многонациональных) корпораций (включая Samsung и Intel), расположенные в КНР.

В ближайшее время за пределами КНР использовать EUV-оборудование смогут только те фирмы, которые смогут себе это позволить исходя из финансовых и технологических возможностей:

для производства логических приборов – ​Intel, TSMC и Samsung;

для производства ДОЗУ – ​Samsung, SK Hynix и Micron Technology.

ASML заявляет, что она «не ограничивает экспорт своего EUV-оборудования в КНР, а просто соблюдает законы и правила стран, в которых она работает». Экспорт передовых технологий, имеющих «двой-ное применение» (в гражданских и военных целях) регулируют международные Вассенаарские соглашения (в которых участвует РФ), заключенные в июле-декабре 1996 г. после окончания «Холодной вой-ны» и признания западными странами устаревшим режима КОКОМ (ограничения экспорта в социалистические страны). В последние годы США используют экспортные ограничения Вассенаарских соглашений с целью ослабления экспансии КНР на рынке полупроводниковых приборов [1].

Интересно, но руководство ASML не считает, что эта стратегия в конечном итоге принесет пользу экономике США. Указывается на наличие у КНР как стимулов, так и средств для достижения прогресса самостоятельно, в то время как некитайские экономики пострадают от потери рабочих мест и доходов. Иллюстрация – ​недавний успех китайской корпорации YMTC в создании 128‑слойной 3D флэш-памяти NAND-типа [2].


Фактор освоения 3нм проектных норм

В ближайшие несколько лет внедрение EUV-оборудования ASML с NA=0,55 поможет ведущим кремниевым заводам2, таким как TSMC, преодолеть препятствия, мешающие освоению технологий с проектными нормами 3 нм и менее. Также потребуется освоение методик многократного формирования рисунка уже в рамках EUV-литографии. Разумеется, это значительно увеличит стоимость обработанных пластин.

По оценкам, освоение корпорацией TSMC 3‑нм технологического уровня не произведет к ожидавшимся ранее прорывам, так как прирост плотности размещения транзисторов окажется недостаточным – ​из-за большего, чем предполагалось, шага межсоединений. Это делает стоимость 3‑нм транзисторов аналогичной стоимости современных 4‑нм транзисторов с ограниченным выходом годных. На уровне 3/2 нм произойдет отказ от «плавниковых» полевых транзисторов (FinFET) в пользу новой архитектуры – ​полевых транзисторов с круговыми затворами (gate-all-around, GAA FET). За первенство в этом переходе соперничают корпорации TSMC, Samsung и Intel. Новая технология на уровне проектных норм в 2 нм обеспечит плотность размещения транзисторов более 220 млн на квадратный миллиметр при шаге межсоединений около 30 нм.


Многократное формирование рисунка

Методика многократного формирования рисунка3 помогает производителям ИС достичь более высокой плотности размещения транзисторов, но, при этом, также увеличивает издержки производства из-за увеличения числа этапов технологического процесса и высокого энергопотребления при каждом EUV-экспонировании. С увеличением числа операций литографии увеличивается и число этапов осаждения.

Появившаяся несколько лет назад EUV-литография с NA=0,33 и однократным формированием рисунка стала рентабельной альтернативой DUV4‑литографии с многократным формированием рисунка. Тем не менее, EUV-литография с однократным формированием рисунка уже достигает своих пределов. Клиенты ASML уже начинают использовать EUV-литографию с многократным формированием рисунка. Это делается с тем, чтобы «выжать как можно больше из этой технологии». Наконец многократное формирование рисунка – ​единственный способ перейти с проектных норм в 4 нм на нормы в 3 нм и, в конечном счете, на 3‑нм технологию второго поколения (3nm+). Тем не менее специалисты ASML по-прежнему видят возможности применения EUV-литографии с NA=0,33 в рамках технологий с проектными нормами до 2 нм и менее.

Интересно отметить, что используемый в массовом производстве ИС 5‑нм технологический процесс TSMC второго поколения (5nm+), сопоставим с 10‑нм процессом Intel (10nm SuperFin), также в используемым в крупносерийном изготовлении микросхем. Оба технологических уровня характеризуются плотностью размещения транзисторов, превышающей 175 млн на квадратный миллиметр при шаге межсоединений менее 30 нм. Но Intel достигает этого используя 193‑нм иммерсионную литографию десятилетней давности, а TSMC уже два года применяет EUV-литографию.


Единственный поставщик

Фирма ASML рассчитывает на долгие годы оставаться единственным поставщиком инструментальных средств EUV-литографии, в том числе с высокой числовой апертурой. Переход на EUV-оборудование с NA‑0,55 будет более простым шагом для производителей ИС, чем переход от DUV4- к EUV-литографии, так как появилась экосистема фирм-поставщиков шаблонов, резистов и всего необходимого. Пока ASML отказывается сообщать, увеличится ли число фирм-пользователей EUV-литографии с нынешних пяти (Intel, Micron, Samsung, SK Hynix и TSMC) когда станут доступны установки с NA=0,55. Отмечается, что повышение производительности EUV-оборудования (число обрабатываемых в час пластин) поможет снизить стоимость владения. Недавно производительность современного EUV-оборудования ASML увеличилась со 125 до 170 кремниевых пластин в час, в ближайшее время может быть достигнут рубеж более 200 пластин в час. За счет этого могут быть снижены издержки обработки пластины (соответственно, и удельные издержки на сформированные кристаллы ИС) [1].

ASML прогнозирует бум продаж своих EUV-степперов, который приведет к росту доходов. Если ранее на период 2021–2025 гг. прогнозировался рост доходов с 17 млрд до 28 млрд долл., то теперь представители фирмы уверены, что он в 2025 г. увеличится до 35 млрд долл., а валовая рентабельность составит от 54 % до 56 % [2].

Кстати, цена акций ASML за последние три года выросла втрое [1].


1. Alan Patterson. Moore’s Law Could Ride EUV for 10 More Years. EE Times, 09.30.2021 https://www.eetimes.com/moores-law-could-ride-euv-for

2. Adrian Potoroaca. ASML’s next-gen EUV machine will give Moore’s Law a new lease of life. Techspot, September 30, 2021 https://www.techspot.com/news/91497


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ