10.000 elektronstråler muliggør masseproduktion af 22 nm wafers

Internationalt konsortium har netop givet kunstigt åndedræt til Moores lov og fremvist, hvordan chips i fremtiden kan massefremstilles med linjer helt ned til 10 til 14 nm.

Chips med linjer på mellem 10 og 14 nanometer er ikke længere blot en våd drøm hos computerentusiaster, men står måske foran at blive en realitet.

Det er det hollandske selskab Mapper Lithography i Delft, som i samarbejde med blandt andet det franske forskningsinstitut CEA-Leti har fremvist en metode, hvorpå de kan massefremstille wafers i 22 nm ved hjælp af direkte elektron-stråle-litografi.

I den traditionelle chipfremstilling anvender man en fotofølsom polymer på skiver, der belyses gennem en maske med uv-lys. Mønstret kan efterfølgende fremkaldes i forbindelse med en ætsning. Denne metode har været anvendt siden de første integrerede kredsløb, og med udviklingen er metoden blevet rafineret til at kunne fremstille tyndere og tyndere linjer.

Nederlandske Mapper har udviklet elektronstrålelitografi, der anvender 10.000 samtidige elektronstråler. Foto: Mapper

»Men i fremtiden vil vi gerne ned og lave 22 nm linjer eller mindre, og der begynder det at blive rigtig vanskeligt med fotolitografi. Det er i forvejen ekstremt dyrt litografisk udstyr, man bruger for at få den linjebredde frem, som man bruger i dag, og det bliver dyrere og dyrere, jo mindre linjer man skal lave,« siger lektor ved DTU Nanotech Ole Hansen til ing.dk.

Men de udfordringer har Mapper lagt bag sig.

Det er nemlig lykkedes selskabet at udvikle et apparat, der kan arbejde med 10.000 præcise elektronstråler på en gang, hvilket betyder, at de nu kan fremstille én 22 nm-wafer i timen, og ifølge selskabet ligger det lige for at udvide kapaciteten til 10 wafers i timen.

»Hvis de formår det, så er vi henne i nærheden af et produktionsantal, der vil gøre det relevant i forhold til fremstilling af chips, hvor hastighed og pakketæthed er afgørende, eksempelvis når man har brug for rigtig meget regnekraft eller at gemme rigtig mange data,« forklarer Ole Hansen.

Han peger dog på, at et sådan apparat skal arbejde med en uhyre præcision og også anvende avanceret software, der kan løse de nærhedsudfordringer (proximity), der kan være mellem de enkelte linjer, hvor den elektriske strøm i en bane kan få indflydelse på strømmen i en anden.

»Hvis de arbejder med en linjebredde på 22 nm, så skal linjerne placeres absolut korrekt inden for en fjerdedel af det, så der er tale om en tolerance på fem nanometer, så det er virkelig vanskeligt,« siger han.

Selv om Mappers teknologi ser ud til at kunne puste nyt liv i Moores lov, der forudså en fordobling af antallet af transistorer pr. kvadratcentimeter hver 18. måned, så mener Ole Hansen ikke, at den nye teknologi vil komme til at erstatte fotolitografien.

»Det er vanskeligt at sige, hvad der bliver den vindende teknologi, og dødsdommen over optisk litografi er afsagt mange gange. Med jævne mellemrum kommer det frem, at det ikke kan gøres bedre,« siger Ole Hansen.

»Tidligere sagde man, at man ikke kunne lave optisk litografi med en linjebredde under en halv mikrometer, og i dag er man under 50 nanometer, så man skal være forsigtig med at dømme optisk litografi ude. Det er klart, der er store vanskeligheder i at reducere linjebredden yderligere, men der er også store økonomiske interesser i at få det til at ske, fordi optisk litografi er meget bekvemt, hvis det kan lade sig gøre,« siger han.

Ole Hansen peger endvidere på, at Mappers metode er yderst fleksibel og kun vil kræve udskiftning af et dataset for at fremstille en ny type chips, mens hele den litografiske film skal udskiftes ved den eksisterende produktionsmetode.

»Det kan vise sig at være uhyre interessant til mindre serier og applikationsspecifikke kredsløb,« siger han.

Det overordnede projekt, som Mapper og CEA-Leti arbejder på, hedder Imagine, der netop har til formål at udvikle maskeløs waferproduktion.

Projektet har desuden deltagelse af en række af industriens sværvægtere som TSMC og STMicroelectronics samt Nissan Chemical, Dow Chemical, JSR Micro, Synopsys, Mentor Graphics og Tokyo Electron.

Illustrationsvideo af Mappers teknologi (tryk F5, hvis videoen ikke kommer frem):

Dokumentation

Elektronikbranchen.dk: Litografisk gennembrud med elektronstråle
LETI-MAPPER IMAGINE programme: breakthrough achievements on MAPPER’s multibeam tool

Kommentarer (6)

22mn chips med elektronstråler, kunne man lave allerede i 80'erne. Ved 22nm, begyndte man dengang at få problemer. Ikke med lithografien, men med transistorens fysiske funktion. Problemet dengang, var at massefremstille chipsene. Men det blev såmænd også dengang foreslået gjort med 10.000 elektronstråler samtidigt.

  • 0
  • 0

At det er en anden process, det jeg angriber er vendinger som:
"muliggør masseproduktion af 22 nm wafers" og "10 og 14 nanometer er ikke længere blot en våd drøm hos computerentusiaster, men står måske foran at blive en realitet"

Som I kan se af pdf linket jeg sendte masseproducerer Intel 22nm nu og formentligt 14nm chips til næste år...

  • 0
  • 0

det er ganske utrivielt at lave parallel elektronstråle litografi. Ja, principperne har i grove træk været foreslået for længe siden, ligesom man har foreslået at kolonialisere mars.

Hvis der er af dette projekt kommer et kommercielt relevant system ud til at skrive skiver med et realistisk throughput vil det være ganske sensationelt.

En ting jeg skal have spurgt Ole om er problemet med såkaldte secondary electrons - dvs alle de lav-energiske elektroner, der bliver slået ud af skallerne af de hurtige primære elektroner (dem der "skydes" med). Disse har en rækkevidde på 5-10 nm i silicium, og er normalt dette der ultimativt begrænser opløsningen af elektronstråle skrivning; jeg kunne godt tænke mig at vide hvad ideer der er til at holde den ekstremt lave fejlrate. Uanset hvor godt man fokuserer de primære elektroner bliver strålen reelt tværet ud pga de sekundære elektroner, til en diameter på ca. 10-20 nm alt efter hvordan man regner.

  • 0
  • 0

det er ganske utrivielt at lave parallel elektronstråle litografi. Ja, principperne har i grove træk været foreslået for længe siden, ligesom man har foreslået at kolonialisere mars.

Hvis der er af dette projekt kommer et kommercielt relevant system ud til at skrive skiver med et realistisk throughput vil det være ganske sensationelt.

Jeg er ikke helt enig i, at det "var" så urealistisk, som at kolonisere mars. Men det vil koste forskning, og her har låget nok været lagt på.

Der hvor metoden er sensationelt, er specielt indenfor prototypechips. Selvom de 10.000 chips er ens, og drevet af samme datastrøm fra serveren, så er det trods alt et meget lille antal chips i forhold til storproduktion. Og man vil stort set kunne fremstille prototyper til samme pris, som massefremstilling, hvis der købes 10.000. Måske kan man føde 10-20 af elektronkanonerne, med en anden datastrøm, og derved "nøjes" med kun 20 ens chips. Hvis det er muligt, så koster det kun en ekstra server, og lidt elektronik, til at levere en anden datastrøm, for at kunne lave prototyper ned til 20 chips.

Jeg mener sagtens, at man kunne have gjort det i 80'erne. Men det vil have krævet lidt udvikling. Harddiskene var mindre, og det vil være urealistisk, med mindre du lavede et stort antal ens chips. Idag kan du i princippet styre hver enkelt elektronstråle individuelt, uden det koster "umådelige" resourcer. Det havde været umuligt i 80'erne. Men teknisk set, var det ikke specielt kompliceret, udfra et elektronisk synspunkt, at styre 10.000 stråler, hellerikke individuelt. Bortset fra datastrømmen, er det relativt lavfrekvent styring, og teknisk set, var det muligt. Datastrømmen, vil man derimod kun kunne lave en, eller højst to af, og det vil betyde, at de fleste chips skulle have samme mønster. I 80'erne krævede bare en enkelt chip, på størrelse med nutidens, adskillige harddiske. Og de skulle læses parallelt og dataene multiplekses med meget stor hastighed, for at det skulle være muligt. Jeg er endog i tvivl, om det vil kunne gøres på en time per waffer som nu. Mit gæt, vil være 5-6 timer.

  • 0
  • 0