Waarom is het fabricageproces van 7-nanometerwafers zo moeilijk?

 

Wat is het 7nm-proces?

Voordat we het hebben over het 7nm-proces, moeten we eerst begrijpen wat 'nano' betekent. Een nanometer (nm) is een lengte-eenheid, en 1 nanometer is gelijk aan 10 tot de min negende macht. In het geval van halfgeleiderchips verwijst nanometer gewoonlijk naar de kleinste afmeting van een transistor, of de kleinste structurele afmeting waaruit de afzonderlijke functionele eenheden in een chip bestaan. Daarom verwijst het 7 nm-proces naar de fabricage van een transistor met een minimale structuur van 7 nm op een chip.

Terwijl transistors steeds kleiner worden, zijn de chipintegratie, de rekensnelheid en de energie-efficiëntie dramatisch toegenomen. De realisatie van deze technologische doorbraken verloopt echter niet van een leien dakje, maar vereist het oplossen van een reeks technische problemen, van ontwerp tot materialen, van processen tot productie.

0040-09963 SOKKEL,150MM PLAT,IS,NI LIFT2,HVCEN

0021-20572 SOKKEL, 6 ADV.101 VOLLEDIGE CVRG

 

Waarom is het zo moeilijk om het 7nm-proces te doorbreken?

Het doorbreken van de moeilijkheden van het 7nm-proces kan feitelijk in meerdere dimensies worden gedemonteerd. Laten we, om het beter te begrijpen, het vergelijken met het bouwen van een steeds geavanceerdere, complexere en efficiëntere machine. Stel je voor dat je een uiterst nauwkeurige klok probeert te maken, waarbij elk tandwiel en onderdeel zo klein en nauwkeurig moet zijn dat zelfs de fout in elk detail ervoor kan zorgen dat de algehele werking mislukt. Voor het productieproces van halfgeleiders is het 7nm-proces zo'n extreme uitdaging.

1. De benadering van fysieke grenzen

Omdat de afmetingen van de transistoren blijven afnemen, zijn er enkele fysieke grenzen benaderd. Zodra de grootte van de transistor kleiner is dan 10 nanometer begint het kwantumeffect zich te manifesteren. Elektronen vertonen bijvoorbeeld kwantumtunneling in deze kleine transistors, waarbij elektronen door de "bron" van de transistor kunnen gaan, waardoor stroom lekt, wat de prestaties en het energieverbruik van de chip beïnvloedt.

Om deze problemen te overwinnen moeten chipontwerpers vertrouwen op innovatieve technologieën, zoals het gebruik van materialen van hogere kwaliteit (bijvoorbeeld materialen met een hoge diëlektrische constante) of meer geavanceerde transistorstructuren (bijvoorbeeld FinFET's). De introductie van deze technologieën is echter geen eenvoudige upgrade, maar staat voor aanzienlijke uitdagingen op het gebied van materialen, productie en engineering.

2. De uitdagingen van lithografie

Lithografie is een van de meest kritische aspecten van het productieproces van halfgeleiders. Fotolithografie is het proces waarbij een ontwerppatroon op een lichtgevoelig materiaal op een siliciumwafel wordt geprojecteerd om de structuur van een chip te karakteriseren. Omdat de transistorafmetingen echter steeds kleiner worden, kunnen traditionele lithografietechnieken zoals diepe ultraviolette lithografie (DUV) niet aan zulke delicate productiebehoeften voldoen.

Om dit probleem op te lossen is de technologie voor extreme ultraviolette lithografie (EUV) geïntroduceerd, die het gebruik van kortere golflengten van licht mogelijk maakt, wat resulteert in een verbeterde nauwkeurigheid van de lithografie. De EUV-technologie zelf kampt echter met veel problemen: ten eerste zijn EUV-lichtbronnen moeilijk te ontwikkelen en vereisen ze een hoger vermogen om voldoende blootstelling te bereiken; Ten tweede stelt de beeldnauwkeurigheid van het EUV-belichtingsproces zeer hoge eisen aan de apparatuur, en ook het onderzoek en de ontwikkeling van fotoresistmaterialen is voortdurend in ontwikkeling.

Daarom vereisen doorbraken in de lithografietechnologie niet alleen ondersteuning van geavanceerde apparatuur, maar ook multidisciplinaire samenwerking op het gebied van materiaalkunde, optica en andere gebieden.

3. Uitdagingen in materiaal- en apparaatontwerp

Met de vooruitgang van het 7nm-proces is het moeilijk om aan de eisen van hoge efficiëntie te voldoen door uitsluitend op siliciummaterialen te vertrouwen. De beperkingen van de materiaalkunde hebben ons gedwongen alternatieve materialen te overwegen, zoals materialen met een hoge k-waarde en nieuwe halfgeleidermaterialen zoals galliumnitride, koolstofnanobuisjes, enz. Deze nieuwe materialen hebben het potentieel om de chipprestaties te verbeteren, maar hun compatibiliteit stabiliteit en integratie met bestaande productieprocessen blijven uitdagingen.

Bovendien vereist het 7nm-proces zeer korte poortlengtes voor transistors, wat hogere eisen stelt aan het ontwerp van het apparaat. Ontwerpers moeten de grootte en indeling van elk apparaat nauwkeurig controleren om problemen zoals stroomlekkage en overmatige thermische effecten als gevolg van fouten te voorkomen.

4. Productieprecisie en kostenbeheersing

Het vervaardigen van chips met 7nm-processen vereist apparatuur en processen met ultrahoge precisie. Processen zoals de verwerking van siliciumwafels, het afzetten van dunne films en het etsen vereisen bijvoorbeeld allemaal een extreem hoge nauwkeurigheid, wat extreem hoge eisen stelt aan de productieapparatuur. Bovendien kunnen, vanwege de extreem kleine afmetingen van de transistors in het 7 nm-proces, zelfs de kleinste fabricagefouten leiden tot een aanzienlijke verslechtering van de prestaties van de hele chip, dus elke stap van het productieproces moet strikt worden gecontroleerd.

De hoge precisie-eisen in het productieproces en de complexe procesketen betekenen een aanzienlijke kostenstijging. Het gebruik van EUV-lithografie vereist bijvoorbeeld duurdere apparatuur en heeft een lage productieopbrengst, wat gemakkelijk kan leiden tot defecten tijdens de productie, resulterend in afgedankte spanen.

5. Problemen met energieverbruik en thermisch beheer

Naarmate chips kleiner en kleiner worden, neemt het aantal geïntegreerde transistors toe en verbruikt elke transistor nog steeds stroom. Naarmate het aantal transistors toeneemt, wordt het probleem van het stroomverbruik geleidelijk duidelijk. Hoewel het 7nm-proces energiezuiniger is dan het traditionele proces, is het energiebeheer van de verschillende onderdelen binnen de chip complexer geworden.

Bovendien hangt het stroomverbruik nauw samen met de warmte, en als de warmte in de chip niet effectief kan worden afgevoerd, kan dit ervoor zorgen dat de chip oververhit raakt, wat de prestaties kan beïnvloeden of zelfs het apparaat kan verbranden. Daarom is het ontwerpen van een efficiënt thermisch beheersysteem om de thermische effecten veroorzaakt door overmatig energieverbruik te vermijden ook een van de belangrijkste problemen waarmee het 7nm-proces wordt geconfronteerd.

Oplossingen en toekomstige ontwikkelingen

Ondanks de vele uitdagingen die gepaard gaan met het doorbreken van het 7nm-proces, heeft de halfgeleiderindustrie al eerste doorbraken geboekt met verschillende innovatieve oplossingen:

Extreme ultraviolette lithografie (EUV):EUV-lithografie wordt volwassen en zal de primaire technologie worden voor kleinere procesknooppunten zoals 5 nm, 3 nm en in de toekomst zelfs nog kleiner.

Driedimensionale geïntegreerde schakelingen (3D IC's):Om de fysieke grenzen van vliegtuigindelingen te doorbreken, zijn veel halfgeleiderbedrijven begonnen onderzoek te doen naar driedimensionale geïntegreerde circuittechnologie (3D IC), die de integratie en prestaties van chips verder verbetert door transistors, geheugens en andere componenten verticaal te stapelen.

Nieuwe halfgeleidermaterialen:Naast silicium onderzoekt de industrie ook andere nieuwe halfgeleidermaterialen, zoals koolstofnanobuisjes, grafeen, enz., om de fysieke beperkingen aan te pakken die traditionele siliciummaterialen tegenkomen bij het proces van verkleining.

Kwantumcomputers:Hoewel kwantumcomputing nog lang niet op grote schaal zal worden toegepast, wordt verwacht dat het de bottleneck van traditioneel op silicium gebaseerd computergebruik als potentieel alternatief voor toekomstige computerarchitecturen zal doorbreken.

Conclusie

De moeilijkheid om het 7nm-proces te doorbreken is niet alleen een doorbraak op technisch niveau, maar houdt ook de uitgebreide toepassing van meerdere disciplines in, zoals materiaalkunde, natuurkunde, scheikunde en techniek.