Защо 7-нанометровият процес на производство на пластини е толкова труден?

 

Какво представлява 7nm процесът?

Преди да говорим за 7nm процес, нека разберем какво означава „нано“. Нанометър (nm) е единица за дължина и 1 нанометър е равен на 10 на минус девета степен. В случай на полупроводникови чипове, нанометърът обикновено се отнася до най-малкия размер на транзистора или най-малкия структурен размер, който съставлява отделните функционални единици в чипа. Следователно 7nm процесът се отнася до производството на транзистор с минимална структура от 7 nm върху чип.

Тъй като транзисторите продължават да намаляват по размер, интегрирането на чипове, изчислителната скорост и енергийната ефективност са се увеличили драстично. Осъществяването на тези технологични пробиви обаче не е гладко, а изисква решаването на поредица от технически проблеми от дизайна до материалите, процесите до производството.

0040-09963 ПОЕДЕСТАЛ,150MM ПЛОСК,IS,NI LIFT2,HVCEN

0021-20572 ПИЙДЕСТАЛ, 6 ADV.101 ПЪЛЕН CVRG

 

Защо е толкова трудно да се пробие 7n процес?

Преодоляването на трудностите на 7nm процес всъщност може да бъде разглобено в множество измерения. За да го разберем по-добре, нека го сравним с изграждането на все по-сложна, сложна и ефективна машина. Представете си, че се опитвате да направите часовник с висока точност, където всяко зъбно колело и част трябва да са толкова малки и прецизни, че дори грешката на всеки детайл може да доведе до повреда на цялостната функция. За процеса на производство на полупроводници 7nm процесът е точно такова изключително предизвикателство.

1. Приближаването на физическите граници

Тъй като размерите на транзисторите продължават да намаляват, някои физически граници са достигнати. Веднага щом размерът на транзистора стане по-малък от 10 нанометра, квантовият ефект започва да се проявява. Например, електроните показват квантово тунелиране в тези малки транзистори, където електроните могат да преминат през „кладенеца“ на транзистора, причинявайки изтичане на ток, което влияе на производителността на чипа и консумацията на енергия.

За да преодолеят тези проблеми, дизайнерите на чипове трябва да разчитат на иновативни технологии, като използването на по-висококачествени материали (напр. материали с висока диелектрична константа) или по-усъвършенствани транзисторни структури (напр. FinFET). Въвеждането на тези технологии обаче не е просто надграждане, а е изправено пред значителни предизвикателства в материалите, производството и инженерството.

2. Предизвикателствата на литографията

Литографията е един от най-критичните аспекти на процеса на производство на полупроводници. Фотолитографията е процес на проектиране на дизайн върху светлочувствителен материал върху силиконова пластина, за да се характеризира структурата на чип. Въпреки това, тъй като размерите на транзисторите продължават да намаляват, традиционните литографски техники като дълбока ултравиолетова литография (DUV) не могат да отговорят на такива деликатни производствени нужди.

За да се реши този проблем, беше въведена технология за екстремна ултравиолетова литография (EUV), която позволява използването на по-къси дължини на вълната на светлината, което води до подобрена точност на литографията. Самата EUV технология обаче е изправена пред много проблеми: първо, EUV светлинните източници са трудни за разработване и изискват по-висока мощност за постигане на достатъчна експозиция; Второ, точността на изобразяване на процеса на EUV експозиция има много високи изисквания към оборудването, а изследванията и развитието на фоторезистентни материали също непрекъснато напредват.

Следователно, пробивът в литографската технология изисква не само поддръжка на усъвършенствано оборудване, но и мултидисциплинарно сътрудничество в науката за материалите, оптиката и други области.

3. Предизвикателства при проектирането на материали и устройства

С напредването на 7nm процеса е трудно да се изпълнят изискванията за висока ефективност, като се разчита единствено на силициеви материали. Ограниченията на науката за материалите ни принудиха да обмислим алтернативни материали, като високо-k материали, както и нови полупроводникови материали като галиев нитрид, въглеродни нанотръби и др. Тези нови материали имат потенциала да подобрят производителността на чипа, но тяхната съвместимост, стабилността и интегрирането със съществуващите производствени процеси остават предизвикателства.

В допълнение, 7nm процесът изисква много къси дължини на затвора за транзистори, което поставя по-високи изисквания към дизайна на устройството. Дизайнерите трябва да контролират прецизно размера и оформлението на всяко устройство, за да избегнат проблеми като изтичане на ток и прекомерни топлинни ефекти поради грешки.

4. Производствена прецизност и контрол на разходите

Производството на чипове със 7nm процеси изисква оборудване и процеси със свръхвисока точност. Например, процеси като обработката на силициеви пластини, отлагането на тънки филми, ецването изискват изключително висока прецизност, което поставя изключително високи изисквания към производственото оборудване. В допълнение, поради изключително малкия размер на транзисторите в 7nm процес, дори и най-малките производствени грешки могат да доведат до значително влошаване на производителността на целия чип, така че всяка стъпка от производствения процес трябва да бъде строго контролирана.

Високите изисквания за точност в производствения процес и сложната технологична верига означават значително увеличение на разходите. Например, използването на EUV литография изисква по-скъпо оборудване и има ниска степен на добив на производство, което може лесно да доведе до дефекти по време на производството, което води до бракувани чипове.

5. Консумация на енергия и проблеми с управлението на топлината

Тъй като чиповете стават все по-малки и по-малки, броят на интегрираните транзистори се увеличава и всеки транзистор все още консумира енергия. С увеличаването на броя на транзисторите проблемът с консумацията на енергия постепенно става очевиден. Докато 7nm процесът е по-енергийно ефективен от традиционния процес, управлението на мощността на различните части в рамките на чипа е станало по-сложно.

В допълнение, консумацията на енергия е тясно свързана с топлината и когато топлината вътре в чипа не може да бъде ефективно разсеяна, това може да доведе до прегряване на чипа, което може да повлияе на производителността или дори да изгори устройството. Ето защо, как да се проектира ефективна система за управление на топлината, за да се избегнат топлинните ефекти, причинени от прекомерната консумация на енергия, също е един от ключовите проблеми, пред които е изправен 7nm процес.

Решения и бъдещи разработки

Въпреки многото предизвикателства при пробиването на 7nm процеса, полупроводниковата индустрия вече направи първоначален пробив с няколко иновативни решения:

Екстремна ултравиолетова литография (EUV):EUV литографията се развива и ще се превърне в основна технология за по-малки процесни възли като 5nm, 3nm и дори по-малки в бъдеще.

Триизмерни интегрални схеми (3D IC):За да преодолеят физическите граници на плоските оформления, много полупроводникови компании започнаха да изследват технологията на триизмерни интегрални схеми (3D IC), която допълнително подобрява интеграцията и производителността на чиповете чрез вертикално подреждане на транзистори, памети и други компоненти.

Нови полупроводникови материали:В допълнение към силиция, индустрията проучва и други нови полупроводникови материали, като въглеродни нанотръби, графен и др., за да се справи с физическите ограничения, срещани от традиционните силициеви материали в процеса на намаляване на размера.

Квантово изчисление:Въпреки че квантовите изчисления все още са на известен път от широкото им възприемане, се очаква да преодолеят пречките на традиционните базирани на силиций изчисления като потенциална алтернатива на бъдещите изчислителни архитектури.

Заключение

Трудността да се пробие 7nm процес е не само пробив на техническо ниво, но също така включва цялостно прилагане на множество дисциплини като наука за материалите, физика, химия и инженерство.