Fotolitografia EUV: sarà pronta per le CPU a 7 nanometri?

L’Extreme Ultraviolet Lithography (EUV) rappresenta un processo produttivo evoluto per la realizzazione dei futuri processori, anche se il suo sviluppo prosegue a rilento, a causa degli alti costi di implementazione e dei problemi tecnici.

speciale Fotolitografia EUV: sarà pronta per le CPU a 7 nanometri?
Articolo a cura di

Le fonderie e i chipmaker inventano nuove tecnologie ogni anno per abbattere col tempo la dimensione dei transistor dei circuiti elettronici. Questo porta a dei componenti più potenti ma anche più complessi, data la maggior presenza di semiconduttori saldati sul silicio. Più i transistor si stringono e più è difficile progredire, perché i progetti si complicano e le macchine devono necessariamente essere più precise. Per quanto riguarda i microprocessori, per esempio, il prossimo passo sarà quello dei 10 nanometri, ma anche le fonderie più importanti - come TSMC - stanno avendo non pochi problemi in merito. E' qui che l'Extreme Ultraviolet Lithography (EUV) entra in gioco, in quanto rappresenta un processo produttivo evoluto che può andare incontro alle necessità del mercato. I progressi fatti in merito sono stati grandi, ma non così tanto da permettere alle industrie di impiegare questa tecnica su ampi volumi produttivi. Chiaramente, la EUV sarà messa sul campo solo quando sarà pronta, ed attualmente non lo è ancora.

L'esigenza di un'altra metodologia

Attualmente, il processo produttivo delle CPU fa utilizzo di laser ad eccimeri che sparano fasci di luce ad una lunghezza d'onda pari a 193 nanometri. Questa tecnica, la Deep Ultraviolet (DUV) è ormai al limite e non può spingersi oltre, motivo per cui non è adatta per il prossimo passo nell'evoluzione dei chip. Fra il laser ed il wafer di silicio c'è ovviamente l'aria, ma negli ultimi anni è diventato più comune piazzare del liquido fra i due. L'indice di rifrazione di un fluido è maggiore di quello delle molecole d'aria, e questo permette all'industria di aumentare la risoluzione. Altra pratica di recente fattura prevede di compattare più fasci di luce in uno singolo, tramite una maschera composta da un reticolo apposito. I punti di silicio vengono colpiti con un'unica lunghezza d'onda ma più risoluta, perché è come se si centrasse su un singolo punto più volte. Tale metodologia è però nella pratica molto costosa, a causa della complessità della strumentazione extra da impiegare, come la maschera. Inoltre, la suddetta tecnica aumenta esponenzialmente in quanto a difficoltà via via che si sale col processo produttivo, perché deve essere incrementato il numero delle maschere. Contando che inizialmente venne usata per i microprocessori a 65 nanometri, farne uso con i 10 nm sarà davvero complicato. Intel probabilmente si rifarà però ad essa per i processori Cannonlake che usciranno nel 2017; questo perché, effettivamente, è l'unico processo che allo stato attuale può davvero garantire un alto indice di affidabilità. Oggigiorno le due tecniche appena descritte vengono fuse per migliorare i benefici. Intel, nello specifico, inserisce un dielettrico tra laser e silicio, incrementando la risoluzione così come la complessità, e spesso vengono fuori delle instabilità che rallentano tutto il lavoro. Questo può essere un problema, ed è per questo che l'architettura Cannonlake e i 10 nanometri sono stati rinviati.
In sostanza, gli strumenti attuali sono allo stremo. Le aziende stanno cercando di combinarli, di inserire sostanze chimiche fra laser e wafer di silicio ed altro, ma il gioco non vale la candela. Le difficoltà di produzione salgono troppo e causano la metà delle volte instabilità ed imprecisioni. Nel punto di stallo in cui si trovano le fonderie appare necessaria l'introduzione di un nuovo meccanismo, supportato da nuovi macchinari, laser a risoluzione più elevata e capaci di coprire un'area più grande in minor tempo.

Extreme Ultraviolet, panoramica

La litografia EUV è nata prima di quanto si pensi, e cioè nel 1985. Da quell'anno l'idea è sottoposta a ricerche e test, che hanno condotto questa tecnologia a poter emanare fasci di luce a una lunghezza d'onda molto risoluta, cioè 13,5 nanometri. La particolarità è che i laser sono in grado di lavorare con la luce ultravioletta, che è la maggior responsabile della grande risoluzione della strumentazione. EUV può incrementare facilmente la densità dei transistor senza avere i problemi e le instabilità tipiche dei metodi che abbiamo visto nello scorso paragrafo. Con l'Extreme Ultraviolet si possono ottenere, in assenza di componenti extra, le stesse prestazioni date dall'utilizzo di ben quattro maschere. Il nuovo processo può anche aumentare il rendimento grazie a cicli di durata più breve. L'intoppo più grosso è rappresentato dalle complicazioni occorse durante gli sviluppi, senza considerare quello per definire gli standard della tecnologia. Tutti i macchinari devono essere rinnovati, devono essere introdotti nuovi laser e si entra in un mondo completamente nuovo. La EUV è così complessa che alla fine potrebbero essere fatti compromessi sulla strumentazione, portando così prestazioni inferiori a quelle attese inizialmente.
ASM Lithography è il più importante produttore di strumentazione per questi processi, ed è anche l'azienda che si occuperà del progetto e dell'assemblaggio dei nuovi laser. Si tratta di un modello al plasma, che sarà creato in una sua versione ionizzata con l'applicazione di piccole goccioline di anidride carbonica. La società dovrà piazzare l'erogatore di CO2 da qualche parte nella struttura del laser stesso, così come uno specchio ellittico di massima precisione. Lenti tradizionali non possono essere usate, perché un fascio di luce a 13,5 nanometri è assorbito da praticamente qualsiasi cosa. Se venissero usati specchi classici, incanalerebbero quasi tutta la luce emessa, e allora sarebbe tutto inutile. Questo è anche il motivo per cui le operazioni devono essere seguite sottovuoto, fattore che complica di molto la produzione. Per generare raggi ultravioletti ad una lunghezza d'onda così minuta c'è bisogno di spendere anche tanta energia, per cui i laser consumeranno parecchio. La potenza non deve però eccedere una certa soglia, in quanto sono strumenti che devono rimanere accesi diverse ore al giorno e potrebbe non essere troppo conveniente. In definitiva, la situazione è molto complicata.

Intoppi e progressi dell'EUV

I progressi sulla litografia EUV sono però costanti, e si è riusciti a raggiungere alcuni standard qualitativi nei due anni passati. I problemi più grandi sembrano essere legati allo scanner, che non sarebbe sufficientemente veloce da garantire un rate accettabile, e all'erogatore di anidride carbonica, che non sembra essere troppo affidabile. ASML ha fatto sapere che durante il 2015 i laser da essa prodotti sono stati in grado di completare il lavoro su 1250 dei 1500 wafer di silicio. C'è da specificare che i laser non lavoravano alla massima potenza e che, durante la futura attività vera e propria, verrà fuori la necessità di impostarli a pieno regime.
Intel ha confermato di stare già facendo uso di qualche strumentazione di prova a bassa potenza, e che viene adesso impiegata per alcuni dei suoi prodotti. La macchina è tenuta accesa ventuno ore al giorno e sembra non dare alcun problema. Un portavoce del colosso americano ha dichiarato che la litografia EUV è un processo che sembra abbastanza stabile ed utilizzabile. E' anche vero però che un singolo difetto in uno degli specchi o su una delle maschere può inficiare l'intero processo. Per tale motivo sono stati progettati dei tool che permettono di ispezionare proprio questi delicati pezzi. Le maschere, per esempio, sono così fragili che possono essere danneggiate anche dall'emissione della luce stessa a 13,5 nanometri. Intel ed ASML stanno di conseguenza collaborando per sviluppare una particolare pellicola che dovrebbe proteggere la superficie, non inficiando però sulle caratteristiche riflettenti. Stiamo parlando di uno strato estremamente sottile, che deve essere chiaramente capace di resistere ai raggi ultravioletti. La problematica è che anche tali pellicole possono avere delle imperfezioni, e i primi sample hanno posto alla luce un tasso di difetto preoccupante. Tenendo conto che gli strumenti per effettuare la ricerca automatica di queste irregolarità sono ancora acerbi, comprendiamo che siamo poco oltre lo stato embrionale. Se questi strumenti per la manutenzione non saranno progettati in tempo e, soprattutto, se non saranno economici, la fotolitografia EUV potrebbe prendersi qualche altro anno di tempo prima di essere impiegata su larga scala.

Fotolitografia EUV Non sappiamo ancora quando TSMC e le altre fonderie cominceranno ad utilizzare EUV, ma crediamo che sia necessario ancora qualche anno, ipotizzando che la tecnologia sia pronta per il 2017 o 2018. Tutti i principali chipmaker, compresi Samsung, GlobalFoundries ed Intel, adotteranno la litografia EUV non appena sarà possibile. Inizialmente gli addetti ai lavori potrebbe fare uso delle nuove tecniche solo per gli strati critici del silicio, mentre si utilizzerebbe il vecchio metodo per tutto il resto. Alla luce dei solidi progressi effettuati negli ultimi 24 mesi, nell’industria arieggia comunque un generale ottimismo per questo processo, seppur l’EUV sarà necessaria per i 7 nanometri e oramai il tempo limitato. Per quanto riguarda invece gli strumenti per i difetti delle maschere, Intel sta andando nella direzione giusta, e l’azienda ha dimostrato delle strategie soddisfacenti per lo scanning, l’individuazione e persino la riparazione delle imperfezioni. I punti chiave per mettere all’opera la litografia EUV sono quindi il miglioramento delle prestazioni per produrre più chip ogni ora, il decremento dei costi, poiché attualmente sono troppo alti, e lo sviluppo di tool e strutture apposite per la manutenzione e il miglioramento delle maschere. Certo, è un lavoro molto complicato, ma con questa tecnologia si potrà andare avanti per tanti anni - per esempio, potrà essere sicuramente impiegata anche per i chip a 5 nanometri. I chip a 10 nanometri con tutta probabilità non si avvarranno dell’EUV, altrimenti tutta l’industria dovrebbe fronteggiare un nuovo ritardo. Gli adattamenti e i compromessi da effettuare non saranno certamente pochi, ma è senza dubbio più vantaggioso che rimandare ancora.