ASML i TSMC szykują dwukrotnie większe fotomaski dla maszyn High-NA EUV

ASML skonstruowało urządzenie zdolne do drukowania na krzemie znacznie drobniejszych struktur niż poprzednia generacja litografii EUV. Maszyna kosztuje około 400 mln dolarów, waży w okolicach 150 ton i uchodzi za jeden z najbardziej złożonych sprzętów przemysłowych na świecie. Ma jednak nietypową wadę – największe procesory do sztucznej inteligencji po prostu nie mieszczą się w jednym polu jej ekspozycji. ASML wspólnie z TSMC przedstawiły właśnie plan mający rozwiązać ten kłopot, a kluczem mają być fotomaski dwukrotnie większe od obecnie stosowanych.

High-NA widzi drobniej, ale obejmuje mniejszy obszar

Nowa platforma ASML nosi nazwę High-NA EUV. Skrót NA odnosi się do apertury numerycznej, czyli zdolności układu optycznego do wychwytywania światła i odróżniania bardzo małych detali.

Dotychczasowe maszyny EUV z serii NXE pracują z aperturą 0,33, natomiast w High-NA parametr ten podniesiono do 0,55. Dzięki temu model TWINSCAN EXE:5000 osiąga rozdzielczość rzędu 8 nm i potrafi w jednej ekspozycji nanosić elementy około 1,7 razy mniejsze niż wcześniejsze urządzenia. Według wyliczeń ASML, w sprzyjających warunkach może to przełożyć się nawet na 2,9-krotny wzrost gęstości upakowania tranzystorów. Na Spider's Web pisaliśmy już wcześniej, jak niezwykle skomplikowane są maszyny ASML i dlaczego bez nich nie mógłby istnieć dzisiejszy zaawansowany przemysł półprzewodnikowy.

Ta poprawa precyzji ma jednak swoją cenę – i to bardzo wysoką. Podczas pojedynczej ekspozycji High-NA obejmuje jedynie około połowę powierzchni, jaką obsługują dzisiejsze maszyny EUV. Standardowe urządzenia NXE naświetlają pole o wymiarach do około 26 na 33 mm, co daje mniej więcej 858 mm². High-NA, korzystające z obecnych 6-calowych fotomasek, osiąga pole rzędu 26 na 16,5 mm, czyli około 429 mm². Dla procesora do laptopa taka różnica nie musi mieć wielkiego znaczenia, ale w przypadku ogromnych akceleratorów AI staje się problemem.

Procesory AI rosną aż do granicy możliwości

Największe chipy przeznaczone do centrów danych to jedne z najbardziej rozbudowanych monolitycznych układów, jakie w ogóle się produkuje. Firmy takie jak Nvidia czy Google wykorzystują praktycznie całą powierzchnię, jaką dzisiejsze narzędzia litograficzne są w stanie odwzorować w jednej ekspozycji.

Jak podaje Reuters, obecna technologia EUV pozwala drukować układy o powierzchni około 800 mm², a producenci procesorów AI faktycznie zbliżają się już do tego pułapu. To nie jest dzieło przypadku – w chipie służącym do trenowania modeli AI liczy się każda dodatkowa jednostka obliczeniowa, ogromne pamięci podręczne, interfejsy komunikacyjne oraz zdolność przesyłania olbrzymich ilości danych. Każdy skrawek krzemu więcej to potencjalnie kolejne tranzystory i wyższa wydajność.

High-NA umożliwia zmniejszanie samych struktur, lecz obecna konstrukcja optyczna ogranicza maksymalne pole ekspozycji o połowę. W efekcie najbardziej zaawansowana maszyna ASML staje się paradoksalnie mniej dogodna właśnie dla tych największych i najdroższych układów, które w teorii powinny najwięcej zyskiwać na jej precyzji.

Winne są lustra

Źródło problemu tkwi w sposobie, w jaki ASML osiągnęło aperturę 0,55. W litografii EUV wzór pojedynczej warstwy procesora zapisany jest na fotomasce, zwanej też reticle. Wiązka światła EUV odbija się od niej, a następnie przechodzi przez rozbudowany układ luster, który pomniejsza obraz i przenosi go na światłoczułą powierzchnię wafla krzemowego. W klasycznych maszynach obraz jest pomniejszany czterokrotnie w obu kierunkach jednocześnie.

W High-NA konieczne stały się większe lustra. Aby utrzymać standardowy 6-calowy format masek i jednocześnie ominąć ograniczenia optyczne, ASML we współpracy z Zeissem zastosowało układ anamorfotyczny – rozwiązanie koncepcyjnie zbliżone do dawnych obiektywów kinowych, które zapisywały szeroki obraz na węższej klatce filmowej. High-NA pomniejsza obraz czterokrotnie w jednym kierunku, a ośmiokrotnie w drugim. Skutkiem ubocznym jest przecięcie na pół jednego z wymiarów pola na waflu.

Zszywanie dwóch obrazów nie jest rozwiązaniem doskonałym

To nie oznacza, że produkcja dużych procesorów staje się niemożliwa. Branża od dłuższego czasu rozwija tzw. field stitching, czyli zszywanie pól. Maszyna naświetla najpierw jedną część układu, potem drugą, a oba fragmenty muszą zostać połączone na waflu z ekstremalną dokładnością. Im mniejsze są drukowane elementy, tym mniejszy jest margines błędu.

Imec razem z ASML testowały takie zszywanie jeszcze zanim High-NA trafiło do użytku. Jest to technicznie wykonalne, ale komplikuje zarówno projekt układu, jak i sam proces produkcyjny. Pojawia się dodatkowa ekspozycja, wyzwanie idealnego wyrównania obu fragmentów oraz ograniczenia dotyczące tego, w którym miejscu chipu może przebiegać granica między polami.

Przy produkcji milionów drogich procesorów wszystko, co obniża wydajność linii lub zwiększa ryzyko wad, szybko przekłada się na ogromne koszty. Dlatego ASML i TSMC zdecydowały, że zamiast latami udoskonalać zszywanie zbyt małych obrazów, lepiej po prostu powiększyć oryginalną maskę.

7 września ASML i TSMC uruchomiły wspólną inicjatywę mającą przygotować branżę na przejście do 12-calowych fotomasek, podczas gdy dziś standardem pozostaje format 6-calowy. Podwojenie rozmiaru maski ma umożliwić układowi anamorfotycznemu w High-NA ponowne odwzorowywanie pełnego pola, zbliżonego do tego, jakie oferują obecne maszyny EUV. Dzięki temu wielki procesor dla centrum danych będzie można zmieścić w jednym polu ekspozycji, bez konieczności łączenia dwóch osobnych naświetleń.

To nie jest jednak zwykła wymiana jednego kawałka szkła na większy egzemplarz. Wokół 6-calowych fotomasek wyrósł cały odrębny przemysł – urządzenia do ich wytwarzania, nanoszenia wzorów, wykrywania defektów, czyszczenia, transportu i przechowywania. Nowy format wymusi przebudowę sporej części tej infrastruktury, dlatego ASML i TSMC poszukują partnerów wśród producentów półprzewodników, wytwórców masek oraz dostawców specjalistycznego sprzętu.

Na rozwiązanie trzeba będzie poczekać do 2033 roku

Skalę całego przedsięwzięcia najlepiej ilustruje harmonogram. Pierwsza pilotażowa linia do produkcji 12-calowych masek ma powstać około 2031 roku, a pełny system litograficzny gotowy do wielkoseryjnej produkcji ma zostać oddany do użytku około 2033 roku. Nie oznacza to jednak, że do tego czasu High-NA pozostanie bezczynne.

Intel już wykorzystuje nowe maszyny ASML przy wybranych warstwach procesorów Core Ultra Series 3, znanych jako Panther Lake. Firma poinformowała, że przez jej procesy związane z High-NA przeszło dotąd ponad milion wafli, licząc testy, prace rozwojowe i produkcję. TSMC zapowiada zastosowanie High-NA przy zaawansowanych układach od 2030 roku, natomiast Samsung i SK Hynix planują wdrożyć tę technologię wcześniej, przy produkcji pamięci DRAM.

Na początku wszystkie te firmy będą jeszcze korzystać z obecnych, 6-calowych masek. Format większy ma zostać wprowadzony później i zniwelować ograniczenie, które dziś jest szczególnie dotkliwe dla wielkich procesorów AI.

Większa maska ma dać nawet do 40 proc. więcej wydajności maszyny

ASML dostrzega w tym również sporą korzyść finansową. Marco Pieters, dyrektor technologiczny firmy, szacuje, że po pełnym wdrożeniu większych masek produktywność systemów może wzrosnąć nawet o około 40 proc.

po pełnym przejściu na większe maski produktywność systemów może wzrosnąć nawet o około 40 proc.

Marco Pieters, dyrektor technologiczny ASML

Przy urządzeniu kosztującym 350-400 mln dolarów liczy się dosłownie każda minuta pracy. Fabryka musi przepuścić przez nie odpowiednio dużą liczbę wafli, aby inwestycja miała sens ekonomiczny.

Sama technologia High-NA ma z założenia oszczędzać czas, ponieważ pozwala w jednej ekspozycji wykonać wzory, które na starszych maszynach wymagałyby kilku etapów litografii. Jeżeli jednak przy dużym układzie trzeba dodatkowo wykonywać dwa osobne pola i precyzyjnie je zszywać, część tej przewagi się traci. 12-calowa maska ma tę stratę odrobić.

Znaczenie ASML dla obecnego boomu na sztuczną inteligencję widać już dziś choćby po tym, że producenci pamięci rozbudowują swoje fabryki i kupują kolejne maszyny EUV praktycznie tak szybko, jak holenderska firma jest w stanie je dostarczać.

Źródło: Spider's Web