Тайваньская компания остаётся крупнейшим контрактным производителем чипов в мире, её способность ритмично осваивать передовые литографические нормы и предлагать выпуск чипов по ним в необходимых количествах привлекает много клиентов. По некоторым оценкам, за одну кремниевую пластину с 2-нм чипами она будет брать с них в два раза больше, чем в случае с 4-нм или 5-нм чипами.

Источник изображения: TSMC

По крайней мере, такие выкладки приводит издание Commercial Times, подчёркивая одновременно, что новые ступени литографии заметно повышают расходы производителей, а потому повышение цен неизбежно. В частности, если при освоении 16-нм технологии было достаточно $100 млн расходов на исследования и разработку, то в случае с 3-нм технологией эта сумма уже рискует не уложиться в диапазон от $4 до $5 млрд. Более того, для техпроцессов такого класса обычно требуется новое предприятие с передовым оборудованием, которое стоит от $15 до $20 млрд. Всё это приводит к тому, что кремниевая пластина с 2-нм чипами может обходиться заказчику в $30 000 как минимум. Тем более, что сама TSMC будет вынуждена больше платить за те же энергоресурсы в силу концентрации своих передовых предприятий на Тайване.

Кроме того, TSMC не особо страдает от конкуренции в этом сегменте рынка, поскольку Samsung постоянно испытывает проблемы с поиском клиентов на свою передовую литографию, а Intel хоть и обещает завалить потенциальных клиентов чипами, выпускаемыми по технологии 18A, сама сейчас находится в эпицентре сильнейшего за всю историю компании кризиса. Соответственно, отсутствие явных соперников позволяет TSMC назначать ту цену на услуги по выпуску 2-нм продукции, которую она сочтёт нужной. Партнёрам TSMC, которые снабжают её расходными материалами и инструментами, новый прибыльный техпроцесс тоже выгоден.

Рассуждения о том, что китайская полупроводниковая промышленность отстаёт от Тайваня на три года в своём развитии по критерию доступа к передовым литографическим нормам, встречают противодействие со стороны тайваньских чиновников, которые убеждены, что разрыв достигает десяти лет.

Источник изображения: TSMC

По крайней мере, выполняющий функции председателя Тайваньского национального совета по науке Чэн-Вэнь Ву (Cheng-Wen Wu) подверг сомнению заявления некоторых источников о том, что отставание Китая от Тайваня в сфере литографии измеряется интервалом от трёх до пяти лет. Если тайваньской компании TSMC, по его словам, удастся в 2025 году наладить массовый выпуск 2-нм продукции, местная полупроводниковая промышленность окажется по меньшей мере на десять лет впереди китайской.

Подобные обсуждения разгорелись с новой силой после того, как было доказано, что очередной флагманский смартфон Huawei содержит выпускаемый по 7-нм технологии центральный процессор. Тайваньская TSMC уже производит чипы по 5-нм и 3-нм технологиям, опережая китайскую SMIC на пару поколений, а если в следующем году первая освоит выпуск 2-нм изделий, то окажется впереди сразу на три поколения. При этом китайским производителям двигаться вперёд с желаемой скоростью мешают санкции США, Нидерландов и Японии, которые ограничивают доступ Китая к передовому технологическому оборудованию. Выпуском 7-нм продукции TSMC занимается с 2018 года, а китайская SMIC ориентировочно освоила сопоставимый по характеристикам техпроцесс не ранее 2022 года. Лишь в 2023 году был налажен серийный выпуск 7-нм китайских чипов.

Компания Canon отправила первый образец своей машины для нанопечатной литографии американскому исследовательскому консорциуму — важный шаг к коммерческому использованию этого инновационного метода производства микросхем. Новая технология заметно сокращает расходы и потребление электроэнергии. Формирование элементов электронной схемы происходит за счёт деформации покрытия штампом с последующим травлением.

Источник изображения: Canon

Традиционное производство полупроводников производится методом фотолитографии (DUV или EUV), в процессе которого фоточувствительная полимерная плёнка (фоторезист) засвечивается через фотошаблон с заданным рисунком, а затем проэкспонированные участки удаляются путём травления.

В нанопечатной литографии изображение образуется за счёт механической деформации полимерного покрытия пресс-формой. С помощью нанопечатной литографии можно получать наноструктуры размером менее 10 нм на достаточно больших площадях, что недоступно для всех других методов литографии.

Преимуществом нанопечатной литографии перед фотолитографией является возможность снижения производственных затрат и потребления энергии. В то время как для обычного фотолитографического оборудования требуются массивы линз или зеркал, машины Canon имеют более простую конструкцию и потребляют в десять раз меньше электроэнергии.

Нанопечатная литография также отлично подходит для формирования сложных трёхмерных схем с помощью одного штампа — процесс, практически не реализуемый при фотолитографии.

Несмотря на весь потенциал новой технологии, для её коммерческого использования пока существуют препятствия, самым существенным из которых являются дефекты и брак, вызванные попаданием мельчайших частиц пыли.

Поставка первой полнофункциональной машины Canon для тестирования Техасскому институту электроники (TIE), поддерживаемому ведущими производителями полупроводников, намекает на масштабные изменения, назревающие в производстве микросхем. Заместитель генерального директора Canon по оптическим продуктам Казунори Ивамото (Kazunori Iwamoto) сообщил о планах поставки от 10 до 20 машин в год в течение следующих трёх-пяти лет.

Техасский институт электроники (TIE) — консорциум, поддерживаемый Техасским университетом в Остине. В него входят такие тяжеловесы полупроводниковой отрасли, как Intel, NXP и Samsung, а также многочисленные правительственные агентства и академические институты.

По итогам текущего года, как считают аналитики TrendForce, выручка контрактных производителей чипов вырастет на 16 %, что можно считать хорошим отскоком после прошлогоднего падения на 14 %. В следующем году рост выручки контрактных производителей чипов превысит 20 %, по мнению экспертов.

Источник изображения: GlobalFoundries

Тем не менее, говорить об улучшении ситуации со спросом на потребительских рынках сложно. В текущем году степень загрузки оборудования на линиях по выпуску не самых передовых чипов опустился ниже 80 %, что нельзя считать оптимальным с экономической точки зрения уровнем. Только линии по выпуску чипов с использованием техпроцессов от 5 до 3 нм включительно были загружены полностью, и такое положение дел сохранится и в следующем году, чего нельзя гарантировать для потребительского рынка.

Как отмечается в отчёте TrendForce, уже в текущем полугодии рынки автомобильной электроники и промышленной автоматизации начнут восстанавливаться после коррекции складских запасов, и этот процесс продолжится в 2025 году. Бум систем искусственного интеллекта способствует тому, что количество обрабатываемых отраслью кремниевых пластин увеличивается. Во многом это будет способствовать тому, что выручка контрактных производителей чипов в следующем году вырастет на 20 %. Если исключить из этой выборки лидирующую по доле рынка TSMC, то прирост ограничится 12 %, но даже в этом случае он окажется выше уровня предыдущего года.

Источник изображения: TrendForce

В следующем году 3-нм техпроцесс станет основным для выпуска передовых вычислительных компонентов, включая центральные процессоры для ПК и смартфонов, а вот чипы ускорителей вычислений останутся на 5-нм и 4-нм техпроцессах. Ко второму полугодию начнёт расти спрос на 6-нм и 7-нм чипы, используемые в смартфонах для работы в беспроводных сетях связи. По прогнозу TrendForce, в 2025 году диапазон техпроцессов от 7 до 3 нм будет формировать до 45 % выручки контрактных производителей чипов по всему миру.

Высокий спрос на услуги по упаковке чипов с использованием компоновки класса 2.5D привёл к сохранению дефицита на протяжении текущего и предыдущего года. TSMC, Samsung и Intel стараются расширять свои профильные производственные мощности. Выручка от оказания подобных услуг вырастет более чем на 120 % по итогам 2025 года. Правда, пока они будут формировать не более 5 % выручки контрактных производителей, но эта доля будет планомерно расти.

Восстановление спроса на потребительском рынке, как надеются эксперты TrendForce, позволит контрактным производителям по итогам 2025 года поднять степень загрузки линий по обработке кремниевых пластин с использованием зрелых техпроцессов до уровня более 70 %, хотя сейчас он в большинстве случаев не превышает 60 %. Будут вводиться в строй и новые предприятия, использующие техпроцессы в диапазоне от 28 до 55 нм. Цены на услуги по выпуску чипов такого класса могут снизиться в результате появления новых мощностей. Участникам контрактного рынка придётся иметь дело с высокими затратами на внедрение передового оборудования и макроэкономической неопределённостью.

Первоначальная реакция ресурса TrendForce на появление в правительственном каталоге китайского оборудования для выпуска чипов с точностью межслойного перекрытия 8 нм была поверхностной, как теперь даёт понять тот же источник. Продвигаемое китайскими чиновниками оборудование пригодно для выпуска чипов от силы по 55-нм технологии или более грубым, и ему далеко до зарубежных образцов, позволяющих выпускать 8-нм чипы.

AMEC

Более глубокий анализ китайских документов, как поясняет в новой публикации TrendForce, позволяет установить, что на местном рынке некие поставщики предлагают произведённое в Китае литографическое оборудование, позволяющее работать с глубоким ультрафиолетовым излучением (DUV). Один из образцов оснащён криптоновым источником лазерного излучения, а другой аргоновым. Первый способен работать с кремниевыми пластинами типоразмера 300 мм при длине волны лазера 248 нм и разрешающей способностью не более 110 нм, обеспечивая точность межслойного совмещения не более 25 нм. Вторая литографическая система китайского производства способна обрабатывать кремниевые пластины типоразмера 300 мм при длине волны лазера 193 нм и разрешающей способности не более 65 нм, которая сочетается с пресловутой точностью межслойного совмещения не более 8 нм.

Как поясняет источник, даже подобных параметров, передовых для китайского оборудования, будет недостаточно для изготовления чипов по 8-нм нормам. Точность межслойного совмещения при производстве 8-нм чипов должна укладываться в диапазон от 2 до 3 нм, а у описываемого китайского образца она в три или даже четыре раза хуже. В частности, для выпуска чипов по техпроцессам 10-нм класса требуется точность межслойного совмещения не более 3 нм, а для 7-нм чипов — не более 2 нм.

Если же говорить о разрешающей способности, то для описываемых передовых техпроцессов она должна быть не выше 38 нм, а самый продвинутый китайский образец обладает разрешающей способностью на уровне 65-нм техпроцесса. На таком оборудовании, по словам представителей TrendForce, сложно наладить экономически обоснованное производство даже 40-нм чипов. Разумный предел на практике соответствует 55 нм, причём даже в этом случае придётся использовать сложную оснастку, которая не гарантирует приемлемого уровня брака.

Компании SMIC удаётся выпускать 7-нм чипы для Huawei, но она для этого использует множественное экспонирование, которое обеспечивает довольно высокий уровень брака, а также оборудование нидерландской ASML класса DUV, завезённое ещё до введения актуальных санкций со стороны США и Нидерландов. Оборудование китайского производства подобных возможностей пока предоставить не может, и даже не приблизилось к ним на достаточную величину.

Самые передовые 7-нм чипы, выпускаемые китайской SMIC по заказу Huawei, как принято считать, изготавливаются с использованием DUV-оборудования нидерландской ASML. Судя по обновлению каталога доступного для китайских производителей отечественного оборудования, у них скоро появится возможность выпускать 8-нм продукцию независимо от наличия доступа к зарубежным литографическим системам.

Источник изображения: AMEC

К такому выводу приходит ресурс TrendForce, ссылающийся на публикацию Министерством промышленности и информационных технологий КНР обновлённого каталога, который составлен для продвижения технического оборудования китайского происхождения.

В какой стадии готовности к выходу на рынок находится соответствующая система, не уточняется, но в документе подчёркивается, что она позволит выпускать чипы с точностью межслойного совмещения не более 8 нм. Разрешающая способность такого оборудования не превышает 65 нм, оно использует лазер с длиной волны 248 нм и кремниевые пластины типоразмера 300 мм. Другими словами, соответствующее оборудование позволяет создавать 8-нм чипы без перехода на лазеры со сверхжёстким ультрафиолетовым излучением (EUV).

Предполагается, что в разработке такой литографической системы приняли участие китайские компании AMEC и SMEE, а также представители научного сообщества КНР. В этом месяце Нидерланды ввели дополнительные ограничения на поставки в Китай литографических сканеров производства ASML, работающих с DUV-излучением. Если китайским производителям удастся наладить выпуск DUV-сканеров для выпуска 8-нм продукции, то местная полупроводниковая промышленность перестанет в некоторой части покрываемого ассортимента продукции зависеть от США, Нидерландов и Японии.

Литография со сверхжёстким ультрафиолетовым излучением (EUV) способна заметно удешевить производство 7-нм и более совершенных полупроводниковых компонентов, поэтому санкции США против Китая направлены на ограничение доступа последней из стран к таким технологиям. Как выясняется, китайские производители оборудования создают свои решения для работы с EUV.

Источник изображения: ASML

Во всяком случае, об этом позволяет судить патентная заявка на «Генераторы экстремального ультрафиолетового излучения (EUV) и оборудование для литографии», поданная в КНР шанхайской компанией SMEE ещё в марте прошлого года. Как сообщает South China Morning Post, документ описывает принципы устройства литографического оборудования, предназначенного для работы с источниками сверхжёсткого ультрафиолетового излучения. Информация о регистрации такой патентной заявки стала известна только на этой неделе.

До сих пор SMEE удавалось создавать только литографические сканеры, пригодные для работы с 28-нм и более грубыми технологическими нормами. Если китайская компания освоит выпуск EUV-сканеров, это существенно сократит отставание китайских производителей чипов от зарубежных конкурентов. Лидером в сфере поставок литографического оборудования является нидерландская компания ASML. Китайские производители чипов пока на 99 % зависят от зарубежных поставщиков, среди которых числятся компании из Нидерландов, США и Японии. Все три страны ограничивают поставку EUV-оборудования в Китай, причём Нидерланды такие меры ввели ещё в 2019 году.

С текущего месяца власти Нидерландов требуют от работающих в юрисдикции этой страны компаний получать экспортные лицензии на поставку запасных частей для установленного в Китае оборудования ASML, а также программного обновления эксплуатируемых китайскими клиентами систем. Сервисное обслуживание данного оборудования тоже фактически запрещено.

Непосредственно шанхайская компания SMEE в санкционный список США попала ещё в декабре 2022 года, что лишило её возможности использовать в создаваемом оборудовании технологии и компоненты американского происхождения. По всей видимости, компания решила самостоятельно создать оборудование для изготовления чипов с использованием EUV-литографии. Последняя подразумевает длину волны лазера 13,5 нанометра, что почти в 14 раз меньше присущего DUV-оборудованию параметра 193 нанометра. Китайская SMIC, как принято считать, выпускает для Huawei 7-нм чипы с помощью DUV-оборудования и многочисленной и громоздкой оснастки. Итоговая продукция получается довольно дорогой из-за высокого уровня брака. Переход на полноценное оборудование класса EUV позволил бы китайским производителям чипов экономить время и деньги при его эксплуатации.

Смелые для современной политической конъюнктуры заявления нового руководителя ASML заявления о характере экспортных ограничений США не помешали компании подчиниться новым требованиям властей Нидерландов, которые расширили перечень контролируемых с точки зрения поставок в недружественные страны литографических сканеров на две модели.

Источник изображения: ASML

Поскольку ASML не успела поставить в Китай ни одной передовой EUV-системы «благодаря» введённым властями Нидерландов ограничениям в 2019 году, внимание американских регуляторов с тех пор сосредоточилось на менее совершенном оборудовании, предназначенном для работы с глубоким ультрафиолетовым излучением и методом иммерсионной литографии (DUV). Наиболее продвинутые системы Twinscan NXT:2000i этого типа ограничивались в поставках в недружественные страны типа Китая с сентября прошлого года, но в США и Нидерландах существовало разногласие по поводу включения в этот перечень систем Twinscan NXT:1970i и NXT:1980i, которые используют DUV-литографию и позволяют выпускать чипы по нормам 5 и 7 нм.. Американцы считали, что подобные поставки нужно согласовывать с ними из-за наличия в составе оборудования компонентов, использующих разработанные в США технологии.

В Нидерландах ограничения на экспорт двух моделей литографических сканеров, указанных выше, вступили в силу только сегодня, и теперь правила контроля двух стран синхронизированы. Более того, теперь желающие поставить указанное оборудование в Китай или другую недружественную страну компании должны будут получать экспортную лицензию не в США, а в Нидерландах. Компания ASML, которая эти системы производит, не считает изменения в правилах экспортного контроля настолько существенными, чтобы они могли повлиять на её прогноз по выручке на 2024 год.

Министр внешней торговли Нидерландов Ренет Клевер (Reinette Klever) данный шаг прокомментировала следующим образом: «Это решение было принято по соображениям безопасности. Мы видим, что технологический прогресс увеличил риски безопасности, связанные с экспортом конкретного производственного оборудования, особенно в текущем геополитическом контексте». По словам чиновницы, выдающееся положение Нидерландов в сфере производства оборудования для выпуска чипов накладывает на страну определённую ответственность, и вводимые ограничения носят адресный и взвешенный характер. Они не должны нарушить товарооборот и цепочки поставок в мировой полупроводниковой промышленности.

Бельгийский исследовательский центр Imec сотрудничает с мировыми лидерами в сфере производства чипов, а потому его руководство может представлять путь развития всей полупроводниковой отрасли на несколько лет вперёд. По его мнению, к 2037 году производители чипов смогут освоить техпроцесс A2, а тремя годами позже удастся преодолеть барьер в 0,1 нм.

Источник изображения: Intel

Если исходить из принятых TSMC обозначений, техпроцесс A2 соответствует литографическим нормам 0,2 нм или 2 ангстрема. Таким образом, в 2040 году полупроводниковая отрасль может преодолеть барьер в 1 ангстрем, если предсказания главы Imec Люка ван ден Хова (Luc Van den hove) оправдаются. Свои заявления он сделал на технологическом форуме в Тайване, работу которого широко освещали местные СМИ.

В следующем году полупроводниковая отрасль приступит к производству 2-нм чипов, причём в рамках этого техпроцесса произойдёт смена структуры транзисторов с FinFET на нанолисты (Nanosheet), а в 2027 году после перехода на техпроцесс A7 будет внедрена структура транзисторов CFET. По мнению представителя Imec, выпуск чипов по технологии A14 будет подразумевать обязательный переход на использование оборудования с высоким значением числовой апертуры (High-NA EUV).

Для TSMC миграция на High-NA EUV становится почти предопределённой. Напомним, что крупнейший в мире контрактный производитель чипов неоднократно заявлял об отсутствии намерений использовать такое оборудование при выпуске продукции по технологии A16. Её тайваньский гигант собирается освоить со второй половины 2026 года.

Японский национальный институт передовых промышленных наук и технологий (AIST) совместно с Intel создадут в Японии новый центр исследований и разработок. Он будет ориентирован на разработку техпроцессов для передовых чипов на основе EUV-литографии, пишет Nikkei со ссылкой на информированные источники.

Источник изображения: Intel

На реализацию проекта, стоимость которого исчисляется сотнями миллионов долларов (цена одной установки для EUV-литографии составляет $273 млн), как ожидается, уйдёт 3–5 лет. В этом центре будет установлено передовое EUV-оборудование, на котором японские компании смогут отлаживать свои технологии. Создание нового центра обеспечит японским предприятиям возможность в сотрудничестве с AIST и Intel разрабатывать и внедрять новейшие технологические процессы, что позволит повысить их конкурентоспособность на мировом рынке.

Сейчас японским компаниям приходится обращаться в зарубежные исследовательские центры, такие как бельгийский IMEC, для получения доступа к оборудованию EUV с целью разработки новых продуктов. Создание центра исследований на территории Японии позволит местным компаниям сократить зависимость от зарубежных ресурсов, что поможет ускорить процесс разработки новых чипов и повысить конкурентоспособность отечественной полупроводниковой промышленности.

При этом такие японские компании, как Lasertec и JSR, уже являются мировыми лидерами в нескольких областях технологии EUV. Lasertec имеет 100-процентую долю на рынке оборудования для контроля EUV, в то время как JSR является одним из крупнейших в мире производителей фоторезистов — полимерных светочувствительных материалов, используемых в производстве микросхем. Участие в строительстве нового центра позволит Intel укрепить сотрудничество с этими компаниями. При этом её существующий конкурент TSMC (и будущий конкурент Rapidus с присутствием в Японии) не смогут обеспечить себе ключевые стратегические преимущества, такие как отношения с клиентами или лучшие инструменты и/или сырье, отметил ресурс Tom's Hardware.

В свою очередь, Nikkei утверждает, что совместный центр исследований и разработки Intel и AIST имеет стратегическое значение, поскольку устранит для Японии необходимость в обращении в американские регулирующие органы для передачи исследовательских данных и технологий из США на фоне ужесточения экспортных ограничений.

В декабре прошлого года делегация руководителей Samsung Electronics в Нидерландах договорилась с коллегами из ASML о строительстве исследовательского центра в Южной Корее, а также расписала график закупки передового оборудования на десять лет вперёд. С тех пор в отвечающем за электронные устройства подразделении Samsung сменилось руководство, и оно уже не так оптимистично смотрит на программу закупки сканеров у ASML.

Источник изображения: Samsung Electronics

Как поясняет издание Business Korea, первоначальные договорённости с ASML подразумевали, что Samsung в течение десяти лет закупит не менее трёх литографических сканеров ASML в каждой из линеек Twinscan EXE:5200, EXE:5400 и EXE:5600. Теперь же, как стало известно корейским источникам, Samsung в этом месяце уведомила ASML о намерениях ограничить ассортимент закупаемых литографических систем некоторым количеством Twinscan EXE:5200, и не торопиться с приобретением последующих моделей.

Более того, Samsung приостановила подготовку к строительству исследовательского центра в корейском Хвасоне, который должен был принять всё это оборудование. Официальные представители Samsung Electronics подтвердить информацию не пожелали, отметив, что в планах компании по приобретению оборудования класса High-NA EUV компании ASML ничего не изменилось. «Совместный исследовательский центр двух компаний будет расположен в оптимальном месте», — добавили они.

Неофициальные источники связывают подобные назревающие изменения в курсе Samsung с майским назначением на должность главы подразделения Device Solutions Чон Ён Хёна (Jun Young-hyun), поскольку первоначальные договорённости с ASML были достигнуты ещё его предшественником. Возможно, как только новое руководство подразделения определится с долгосрочными планами, сотрудничество с ASML будет возобновлено на новых условиях, если это потребуется.

Южнокорейская компания Samsung Electronics не только остаётся крупнейшим производителем памяти, но и не оставляет амбиций в сфере контрактного производства логических компонентов. Ради движения в ногу с прогрессом она собирается вслед за Intel получить к концу этого года литографический сканер ASML TwinScan EXE:5000, который позволяет работать с высоким значением числовой апертуры (High-NA).

Источник изображения: ASML

Intel является крупнейшим клиентом ASML на этом направлении и пытается выкупить все доступные для заказа на этот год подобные системы, но намерения Samsung показывают, что при определённой настойчивости корейская компания тоже может получить свою первую литографическую систему класса High-NA EUV к концу текущего года или в первом квартале следующего. Подобное оборудование должно позволить Samsung не только наладить выпуск чипов по технологиям «тоньше» 2 нм, но и делать это с более низкой себестоимостью. Правда, сам литографический сканер такого класса стоит не менее $380 млн, а ещё он занимает больше места, поэтому внедрение такого оборудования потребует не только высоких первоначальных затрат, но и смены подхода к планировке цехов.

Попутно южнокорейские СМИ сообщают, что Samsung призналась в наличии у неё средств инспекции фотомасок японской марки Lasertec, которые адаптированы к технологии High-NA EUV. Если всё пойдёт по плану, Samsung сможет наладить выпуск первых прототипов продукции на оборудовании такого класса к середине следующего года. Впрочем, в массовом производстве технология High-NA EUV будет освоена компанией ближе к 2027 году.

Samsung в сотрудничестве с Synopsys также внедряет иной «рисунок» элементов полупроводниковых чипов, который предполагает переход от прямых линий к кривым. Это позволит создавать более плотные структуры на чипах и продвинуться в освоении более «тонких» техпроцессов. Компания TSMC также рассчитывает получить до конца года от ASML свой первый литографический сканер класса High-NA EUV, но внедрить подобное оборудование в массовом производстве чипов по технологии A14 планирует не ранее 2028 года.

Не только компания Intel активно приобретает у ASML литографические системы с высоким значением числовой апертуры (High-NA EUV). Один из первых сканеров такого класса расположился в лаборатории ASML и Imec в Нидерландах, и недавно последняя смогла изготовить тестовые чипы с рекордно малыми размерами элементов за один проход, доказав эффективность оборудования класса High-NA EUV.

Источник изображения: Imec

Используя литографическую систему Twinscan EXE:5000 и подготовленную для неё партнёрами оснастку с новыми материалами, Imec изготовила несколько тестовых полупроводниковых структур, обладающих рекордно малыми размерами. В частности, образец логического компонента с металлизированными слоями продемонстрировал размеры элементов не более 9,5 нм с шагом между ними 19 нм, а расстояние по вершинам не превысило 30 нм. Специалистам Imec удалось за один проход создать образец чипа со сквозными отверстиями, расположенными на расстоянии 30 нм друг от друга. Массив отверстий получился регулярным, сами они имели однородную форму и размеры. В рамках экспериментов по созданию длинных двумерных элементов удалось выдержать расстояние между ними не более 22 нм.

Были созданы и структуры, повторяющие ячейки памяти. Это особенно важно с учётом интереса к оборудованию класса High-NA EUV со стороны крупных производителей памяти в лице Samsung, SK hynix и Micron. Если Intel до конца этого года получит уже второй литографический сканер с высоким значением числовой апертуры (0,55), то TSMC рассчитывает получить только первый, причём использовать подобное оборудование в массовом производстве она рассчитывает начать не ранее 2028 года, когда освоит техпроцесс A14.

Imec особо подчёркивает, что успех экспериментов с данным типом оборудования ASML открывает дорогу клиентам компании к началу проектирования продукции, при производстве которой оно будет использоваться. Соответственно, поставщики оснастки и расходных материалов тоже учтут данный опыт в расширении ассортимента своей продукции. Переход на новый класс литографического оборудования сократит количество проходов при экспозиции фотомасок, повысив производительность линий по выпуску чипов. Проблемой пока остаётся только высокая стоимость таких сканеров, поскольку один стоит около 350 млн евро.

Профессор Цумору Шинтаке (Tsumoru Shintake) из Окинавского института науки и технологий (OIST) разработал существенно упрощённый инструмент для EUV-литографии, который значительно дешевле сканеров производства ASML. Предложенная им литографическая система использует два зеркала вместо шести. Если устройство поступит в массовое производство, оно может изменить отрасль оборудования для производства чипов, если не всю полупроводниковую промышленность.

Источник изображения: Samsung

Новая система использует в своей оптической проекционной установке только два зеркала, что значительно отличается от традиционной конфигурации из шести зеркал. Новый укороченный оптический путь позволяет более 10 % начальной EUV-энергии достигать пластины по сравнению с примерно 1 % в используемых в настоящее время установках, что является серьёзным прорывом.

Команда профессора Шинтаке решила две основные проблемы в EUV-литографии: предотвращение оптических аберраций и обеспечение эффективной передачи света. Разработанный ими метод «двойного линейного поля» экспонирует фотошаблон, сводя к минимуму искажения и повышая точность изображения на кремниевой пластине.

Источник изображения: OIST

Одним из ключевых преимуществ предложенного решения является повышенная надёжность и простота обслуживания оборудования. Не менее существенным достоинством этой конструкции стало радикальное снижение энергопотребления. Благодаря оптимизированному оптическому пути система использует источник EUV-излучения мощностью всего 20 Вт, а общее энергопотребление составляет менее 100 кВт, что на порядок ниже, чем потребность традиционных систем EUV-литографии. Благодаря сниженному энергопотреблению также упрощается и удешевляется система охлаждения.

Производительность новой системы была тщательно проверена с использованием программного обеспечения для оптического моделирования, подтвердив её способность производить передовые полупроводники. Учёные подали заявку на патент, что свидетельствует о готовности новой технологии к коммерческому внедрению. Разработчики рассматривают новую систему EUV-литографии как важный шаг к снижению энергопотребления и других затрат на производство микросхем, но конкретные сроки начала коммерческой эксплуатации нового сканера пока не называются.

Экономические последствия изобретения весьма многообещающие. Ожидается, что мировой рынок EUV-литографии вырастет с $8,9 млрд в 2024 году до $17,4 млрд к 2030 году.

Первый литографический сканер ASML с высоким значением числовой апертуры (High-NA EUV) был отгружен для нужд компании Intel ещё в декабре прошлого года, к апрелю завершился его монтаж в исследовательском центре в Орегоне, а на минувшей квартальной конференции глава Intel подтвердил, что компания готовится получить от ASML второй экземпляр такого оборудования.

Источник изображения: Intel

Данное высказывание генерального директора Патрика Гелсингера (Patrick Gelsinger), как отмечает Reuters, осталось незамеченным на фоне провального квартального отчёта, но упоминание данного факта из его уст всё же прозвучало. «Второй инструмент High-NA отправлен на наше предприятие в Орегоне», — лаконично пояснил глава Intel, добавив, что вложения компании в передовые технологии на ранних этапах демонстрируют хорошие показатели. Как известно, подобное оборудование потребуется Intel для выпуска чипов по перспективной технологии Intel 14A с 2027 года, но на уровне экспериментов она намеревается применять его в рамках более зрелого техпроцесса Intel 18A.

В середине июля представители ASML также признались, что компания начала отгрузку второй литографической машины для работы с High-NA EUV некоему клиенту, и если сопоставить это заявление с признаниями руководителя Intel, то можно понять, что речь идёт именно об этой компании. Деньги за первый литографический сканер такого класса Intel успеет получить до конца текущего года, а выплата за второй может выпасть уже на следующий. Каждая такая литографическая машина стоит около 350 млн евро.

ASML уже располагает заказами на поставку более десятка таких систем, среди клиентов числятся Intel, TSMC, Samsung, SK hynix и Micron. При этом TSMC утверждает, что ей не потребуются подобные сканеры для выпуска чипов по технологии A16, но от экспериментов с таким оборудованием она всё же не отказывается. Перечисленные выше производители памяти рассчитывают начать применение EUV-литографов с высоким значением числовой апертуры с период с 2025 по 2026 годы.