ASML، اینتل، سامسونگ و TSMC در حال همکاری برای پیشبرد انتقال صنعت به فوتوماسک‌های (رتیکل‌های) ۶×۱۲ اینچی هستند. این تغییر برای لیتوگرافی High-NA EUV بسیار حیاتی است، زیرا استنسیل بزرگ‌تر امکان چاپ تراشه‌های بزرگ را در یک مرحله فراهم می‌کند، به جای اینکه مجبور به کنار هم قرار دادن طرح‌های کوچک‌تر باشیم، همانطور که ASML این هفته در یک بیانیه مطبوعاتی توضیح داد.

این نوع همکاری بین سازندگان تراشه کاملاً بی‌سابقه نیست، اما نادر است. اما زمانی که با یک چالش در سطح صنعت مواجه می‌شوند، رقابت خود را کنار گذاشته و برای پیشبرد صنعت متحد می‌شوند. این اتفاق چندین بار در دهه‌های اخیر رخ داده است، ابتدا با انتقال ناموفق به ویفرهای ۴۵۰ میلی‌متری که توسط GlobalFoundries، IBM، اینتل، سامسونگ، TSMC و ایالت نیویورک تأمین مالی شد، سپس با انتقال EUV که توسط اینتل، TSMC و سامسونگ رهبری شد.

رزولوشن بالاتر با ظرافت‌هایی همراه است

لیتوگرافی High-NA EUV گام بزرگی رو به جلو نسبت به ابزارهای Low-NA EUV امروزی است. با دیافراگم عددی ۰.۵۵، سیستم‌های High-NA می‌توانند به رزولوشن تک‌نوردهی ۸ نانومتری دست یابند، در مقایسه با ۱۳ نانومتر برای اسکنرهای EUV با NA ۰.۳۳. رزولوشن بالاتر به سازندگان تراشه امکان می‌دهد تا ویژگی‌های کوچک‌تر و متراکم‌تر را در یک نوردهی الگوبرداری کنند و طرح‌های پیچیده چندالگویی Low-NA EUV را با یک نوردهی High-NA جایگزین کنند. این می‌تواند تعداد ماسک‌ها و مراحل فرآیند را کاهش دهد، زمان چرخه تولید را کوتاه کند و به طور بالقوه وفاداری الگو و بازده را بهبود بخشد، به ویژه در لایه‌های حیاتی فناوری‌های فرآیند نسل بعدی.

با این حال، این بهبود با یک معاوضه قابل توجه همراه است. EUV معمولی با NA ۰.۳۳ از اپتیک کاهنده ۴X در هر دو جهت استفاده می‌کند که یک میدان نوردهی ۲۶×۳۳ میلی‌متری را با فوتوماسک‌های استاندارد ۶×۶ اینچی امکان‌پذیر می‌سازد. در مقابل، High-NA EUV از اپتیک آنامورفیک ۴X/8X استفاده می‌کند، بنابراین همان ماسک تنها می‌تواند یک نیم‌میدان ۲۶×۱۶.۵ میلی‌متری را نوردهی کند، که برای طرح‌های مشتری‌محور که به سختی بزرگ‌تر از ۴۲۹ میلی‌متر مربع هستند، مشکلی ایجاد نمی‌کند. اما، دای‌های بزرگ که در یک میدان EUV معمولی ۲۶×۳۳ میلی‌متری جای می‌گیرند، اکنون باید با استفاده از دو نوردهی High-NA که به هم دوخته شده‌اند، یا به یک طراحی چند-چیپلت تقسیم شوند، الگوبرداری شوند.

دوخت (Stitching) یک راه‌حل عملی کوتاه‌مدت است که همه سازندگان تراشه، از جمله اینتل، سامسونگ و TSMC از آن استفاده می‌کنند، اما معایب متعددی دارد. اولاً، توان عملیاتی اسکنر ASML Twinscan EXE:5200B را از حداکثر ۱۷۵ ویفر در ساعت برای نوردهی‌های نیم‌میدان به حدود ۱۲۵ ویفر در ساعت در صورت استفاده از دوخت کاهش می‌دهد. ثانیاً، طراحان تراشه باید مرز دوخت را در نظر بگیرند، که به معنای قوانین طراحی اضافی و کاهش آزادی در برنامه‌ریزی فضای تراشه است.

در نهایت، دو نوردهی باید با دقت فوق‌العاده‌ای تراز شوند تا ویژگی‌هایی که از مرز عبور می‌کنند به درستی به هم متصل شوند. حتی خطاهای تراز کوچک می‌توانند خطوط و وایاها را مخدوش کنند، یا اتصالات داخلی را به خطر بیندازند و در نتیجه به طور بالقوه نقص ایجاد کرده و بازده را کاهش دهند. چنین کاهش بازدهی در زمینه CPUها و GPUهای بزرگ تولید شده با استفاده از سیستم‌های Low-NA EUV بسیار پرهزینه است. اگر بازده در ابزارهای گران‌تر High-NA EUV از دست برود، هزینه‌ها حتی بالاتر خواهد بود، که جذابیت استفاده از این اسکنرها را به شدت کاهش می‌دهد.

فوتوماسک‌های جدید مورد نیاز است

برای از بین بردن نیاز به دوخت، صنعت در حال بررسی فوتوماسک‌های بزرگ‌تر و متعامد ۶×۱۲ اینچی برای جبران اپتیک آنامورفیک است. با دو برابر کردن ابعاد رتیکل مربوط به جهت کاهش ۸X در High-NA، این ماسک‌ها قرار است میدان نوردهی کامل و سنتی ۲۶×۳۳ میلی‌متری را بازگردانند و حتی دای‌های به اندازه رتیکل را بدون دوخت الگوبرداری کنند.

با این حال، فوتوماسک‌های ۶×۶ اینچی برای حدود سه دهه از دهه ۱۹۹۰ یک استاندارد صنعتی بوده‌اند. حتی انتقال از DUV به EUV ابعاد اصلی ماسک را تغییر نداد: EUV ماسک‌های عبوری را با ماسک‌های بازتابنده چندلایه جایگزین کرد اما فرم فاکتور زیرلایه ۶×۶ اینچی را حفظ کرد. در نتیجه، پذیرش رتیکل‌های ۶×۱۲ اینچی مستلزم آن است که صنعت کل زیرساخت ساخت ماسک، جابجایی ماسک و لیتوگرافی را که بر اساس فرمت موجود ساخته شده است، تغییر دهد.

تامین‌کنندگان بلنک ماسک مانند AGC و Hoya به تجهیزات جدید یا اصلاح‌شده برای تولید زیرلایه‌های بزرگ‌تر و رسوب‌دهی لایه‌های چندگانه بازتابنده EUV یکنواخت در مساحت بسیار بزرگ‌تر نیاز خواهند داشت. کارگاه‌های ماسک‌سازی به ابزارهای جدید یا اصلاح‌شده برای نوشتن و حکاکی ماسک‌های بزرگ‌تر، و همچنین سیستم‌های بازرسی و اندازه‌گیری قادر به مشخصه‌یابی دقیق فرمت جدید نیاز خواهند داشت. تجهیزات تمیزکاری، پلیکل‌ها و دستگاه‌های نصب پلیکل نیز به اصلاحاتی نیاز دارند.

زیرساخت جابجایی ماسک نیز باید تغییر کند. تامین‌کنندگان به پادهای ماسک بزرگ‌تر نیاز خواهند داشت، در حالی که کارخانه‌ها و کارگاه‌های ماسک‌سازی به سیستم‌های ذخیره‌سازی، حمل و نقل و جابجایی خودکار سازگار نیاز دارند. در عین حال، آنها باید پشتیبانی از ماسک‌های ۶×۶ اینچی موجود را حفظ کنند، زیرا اسکنرهای Low-NA EUV و DUV موجود و آینده همچنان از فرمت تثبیت‌شده استفاده خواهند کرد.

شاید بزرگترین تغییرات از سوی ASML مورد نیاز باشد. اسکنرهای High-NA EUV آن به اصلاحات یا بازطراحی نیاز خواهند داشت تا رتیکل‌های به مراتب بزرگ‌تر را با دقت فوق‌العاده مورد نیاز برای لیتوگرافی EUV بپذیرند، نگه دارند، حرکت دهند و موقعیت‌یابی کنند.

اینتل، مایکرون، سامسونگ، SK Hynix، TSMC و سایر سازندگان تراشه که قصد پذیرش لیتوگرافی High-NA EUV را دارند، باید ماسک‌ها، اسکنرها و سایر ابزارهای جدید را برای جریان‌های فرآیند خود تأیید کنند و اطمینان حاصل کنند که قابلیت نوردهی تمام‌میدان طبق برنامه کار می‌کند.

در نتیجه، پذیرش ماسک‌های ۶×۱۲ اینچی نیازمند تلاشی هماهنگ و سرمایه‌گذاری‌های قابل توجهی از سوی سازندگان تراشه، ASML، سازندگان ماسک و تامین‌کنندگان متعدد تجهیزات و مواد خواهد بود.

برای پیچیده‌تر کردن اوضاع، ماسک‌های ۶×۱۲ اینچی به طور کامل جایگزین فرمت ۶×۶ اینچی موجود نخواهند شد، همانطور که قبلاً اشاره شد. بنابراین، صنعت باید دو فرمت ماسک را به صورت موازی تولید، بازرسی، حمل و نقل، ذخیره و جابجا کند، که هزینه و پیچیدگی را به یک انتقال از قبل گران‌قیمت اضافه خواهد کرد.

جدول زمانی

انتقال به رتیکل‌های ۶×۱۲ اینچی یک تلاش صنعتی است که در حال حاضر توسط ASML، اینتل، سامسونگ و TSMC پشتیبانی می‌شود. این فرآیند سال‌ها طول خواهد کشید و مدت‌ها پس از ورود High-NA EUV به تولید انبوه با فوتوماسک‌های ۶×۶ اینچی امروزی رخ خواهد داد، زیرا صنعت نیمه‌هادی ترجیح می‌دهد فناوری‌های جدید را به تدریج بپذیرد.

اینتل در حال حاضر از اسکنر(های) High-NA EUV برای لایه‌های منتخب Intel 18A (الگوبرداری شده در Fab D1X) استفاده می‌کند و از برنامه‌ریزی فضای تراشه در نیم‌میدان و همچنین دوخت پشتیبانی می‌کند؛ سامسونگ قصد دارد High-NA EUV را تا سال ۲۰۲۸ وارد تولید انبوه DRAM کند، و TSMC نیز قصد دارد این فناوری را برای تولید گره‌های پیشرفته از سال ۲۰۳۰ به کار گیرد. هر سه شرکت قصد دارند پذیرش High-NA EUV را با ماسک‌های ۶×۶ اینچی آغاز کنند.

اینتل به نظر می‌رسد که در زمینه رتیکل‌های ۶×۱۲ اینچی پیشتاز است، زیرا سه سال است که برای تحقق آنها تلاش می‌کند، اما این شرکت در مورد زمان پذیرش فوتوماسک‌های جدید سکوت کرده است. در همین حال، ابتکار ASML-TSMC یک خط آزمایشی فوتوماسک ۶×۱۲ اینچی را تا سال ۲۰۳۱ هدف قرار داده است، که باید بستری را برای توسعه و تأیید فرمت ماسک جدید و زیرساخت تولید مرتبط با آن برای این کارخانه فراهم کند. هدف نهایی، آمادگی کامل سیستم لیتوگرافی برای تولید گره‌های پیشرفته تا سال ۲۰۳۳ است.

با این حال، فوتوماسک‌های ۶×۶ اینچی و ۶×۱۲ اینچی برای الگوبرداری High-NA EUV احتمالاً حداقل برای مدتی در بازار همزیستی خواهند داشت و نه اینکه یک انتقال ناگهانی را تجربه کنند. در نهایت، رتیکل‌های مربعی ۶×۶ اینچی که اسکنرهای High-NA EUV را قادر می‌سازند تا میدان‌هایی به بزرگی ۲۶×۱۶.۵ میلی‌متر (یا ۴۲۹ میلی‌متر مربع) را نوردهی کنند، باید برای اکثریت قریب به اتفاق پردازنده‌های مشتری که در سال‌های آینده تولید می‌شوند، کافی باشند. ماسک‌های بزرگ‌تر ۶×۱۲ اینچی عمدتاً برای طرح‌های بسیار بزرگ‌تر، مانند شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی رده بالا، CPUهای مراکز داده، DPUها، GPUهای رده بالا و FPGAها اهمیت خواهند داشت، جایی که توانایی نوردهی یک میدان کامل ۲۶×۳۳ میلی‌متری بدون دوخت به طور قابل توجهی ارزشمندتر می‌شود.