Tranzistory jsou stále menší a standardní technologie výroby už přestávají dostačovat. Možná už příští rok dojde k prvnímu nasazení EUV litografie.
Na konci minulého měsíce jsme vám přinesli podrobný článek o výrobě procesoru doslova od písku až k finálnímu čipu, který máte například v notebooku, mobilním telefonu, tabletu nebo pračce.
Výrobu čipů ale čeká velká změna z důvodu nutnosti zmenšování tranzistorů. Vlnová délka světla z klasické UV záření, které se dnes používá, už je zkrátka větší, než budou samotné tranzistory. Již přes deset let probíhá vývoj v oblasti EUV (Extreme Ultraviolet – extrémní ultrafialové) litografie, která umožní výrobu čipů s menšími částmi.
Extrémní ultrafialová litografie za extrémní cenu
Současná generace strojů používající hluboké ultrafialové záření s vlnovou délkou 193 nm se díky velkému tlaku na vývoj dostala skrze různé techniky (čočky a chemikálie pro přesnější zaměření, vícenásobné vypalování a podobně) až k výrobě 22nm čipů a měla by stačit ještě u 15nm čipů. Intel ale počítá i s variantou, že bude pomocí této technologie vyrábět ještě 11nm či 10nm čipy.
Princip současné litografie s 40W nebo 90W laserem o vlnové délce 193 nm (Zdroj: Cymer)
Existuje mnoho důvodů, proč se výrobci nechtějí vzdát ověřené technologie – továrny jsou pro ní relativně připraveny, investice už nejsou tak vysoké, inženýři mají v této oblasti obrovské zkušenosti a především jsou procesy dostatečně efektivní na hromadnou výrobu milionů čipů.
Výrobci dokázali různými čočkami i chemickými procesy vyrábět čipy se 193nm laserem i s velikostí 22 nm, Intel má v plánu dosáhnout až na 10 nm (Zdroj: Cymer)
I když se v oblasti vývoje EUV vyskytlo několik společností (mezi kterými je například i ASML Holdings) a inženýři na zdokonalování nástrojů pracují přes deset let, EUV stále není ve fázi, kdy by mohla plně nahradit stávající technologii.
Dle odhadů jsou současné stroje vyrábějící hromadně čipy pomocí EUV litografie stále nedostatečně efektivní. Jejich výkon je kolem 20 až 30 waferů za hodinu a pro dnešní a budoucí potřeby bude nutné dosahovat na hodnoty přes 100 waferů za hodinu.
Cena stroje pracující na bázi EUV litografie je dvakrát větší než těch současných, které jsou běžně používány pro hromadnou výrobu čipů. Jedná se přibližně o 100 milionů dolarů za jeden stroj. Pro úspěšné nasazení a tedy větší zájem výrobců bude nutné zlepšit tyto stroje na takovou úroveň, aby byly schopné zpracovat větší množství waferů. Stroj i výroba se zkrátka musí zaplatit a v tomto případě je vše velmi pečlivě kalkulováno s dlouhým výhledem.
Bez vakua to nepůjde
EUV litografie pracuje v rozmezí od 31 nm až k 1 nm, což je v porovnání se současnou technologii (193 nm) poměrně velký rozdíl v možnostech. Velmi krátká vlnová délka a tedy i vyšší frekvence s sebou nese ale i řadu nevýhod.
Záření z laseru je okamžitě pohlcováno takřka čímkoli, s čímž přijde do styku. Přítomnost byť sebečistějšího vzduchu tak nepřipadá vůbec v úvahu a samotná výroba čipů na waferů musí probíhat ve vakuu za pomoci speciálních a takřka dokonale plochých zrcadel.
Pro představu jak dokonalá použitá zrcadla jsou - pokud byste jedno ze zrcadel zvětšili na velikost Německa, nejvyšší na celé této obrovské ploše výčnělek by měl maximálně jeden milimetr. Paprsek je už tak malý, že nastává problém s přesným zaměřením.
Problémy s implementací v úrovni pod 20 nm se týkají mnoha oblastí, ať už samotného zdroje záření, přes jeho zaměření až po finální tvorbu čipů dle návrhu a v požadované kvalitě.
Nelze se tak divit přístupu Intelu, který sice investuje do ASML kolem čtyř miliard dolarů, ale stále spoléhá na stávající technologii, kterou se bude snažit ohýbat co nejdéle to půjde.
Podobně je na tom i TSMC se Samsungem, kteří do EUV investují kolem jedné miliardy dolarů. O vývoj precizních zdrojů záření se stará například společnost Cymer, která oznámila, že se jí podařilo během přibližně posledních dvou let zvýšit výkon desetinásobně a v příštích letech by mělo dojít k dalšímu výraznému zlepšení. Vyšší výkon souvisí i s rychlostí zpracování waferů za hodinu – hlavní parametr, který musí být co nejvyšší pro adopci u velkých výrobců.
Zdroj záření pro EUV litografii od společnosti Cymer
První hromadná výroba čipů pomocí EUV litografie by měla začít u některých menších výrobců již začátkem roku 2014, zatím ale rozhodně nepůjde o čipy v oblasti pod 20 nm.
Porovnání spotřeby zdrojů při EUV a současné litografii (Zdroj: Wikipedia)
Současné stroje by měly dle odhadů teprve v roce 2015 být schopné vyrábět v oblasti 15 nanometrů. EUV litografie je nejen drahá a velmi pokročilá technologie, ale vyžaduje i větší zdroje z oblasti elektrické energie nebo chlazení. Spotřeba elektrické energie při výrobě může být až desetkrát vyšší, množství chladicí vody pak i více než dvacetkrát větší.
Stále menší prostor pro chyby a tvrdý souboj
Se stále menšími velikostmi čipů a jejich základními prvky, ať už se bude jednat o tranzistory či něco jiného, se velmi rychle zmenšuje prostor pro případné chyby a vady při výrobě.
Technologie sice jsou v rámci různých prototypů v laboratorních podmínkách zkoumány a některé byly i úspěšně dokončeny, ale postup do fáze pro hromadné nasazení není jednoduchá záležitost.
Výroba totiž musí být efektivní, investice do případného stroje se musí výrobci v určité době vrátit, takže jeho cena musí být přiměřená výdělku, který lze z prodeje čipů získat. S pokročilejšími technologiemi sice výrobci dokáží vyrobit více čipů na jeden wafer a s příchodem větších 450mm waferů pak ještě více, ale zároveň klesá i prodejní cena čipů. Konkurenční prostředí je tak stejně nemilosrdné, jako v jakémkoli jiném segmentu.
A právě přechod na nové a drahé technologie výroby si budou moci dovolit pouze ti největší a nejúspěšnější výrobci, což bude mít nepříjemný dopad na menší výrobce, kteří se staršími stroji a technologiemi vůbec nebudou moci konkurovat ani z pohledu ceny.
