מדוע תהליך ייצור הוופל 7-ננומטר כל כך קשה?

 

מהו תהליך ה-7 ננומטר?

לפני שנדבר על תהליך 7nm, בואו נבין מה המשמעות של "ננו". ננומטר (ננומטר) הוא יחידת אורך, ו-1 ננומטר שווה ל-10 בחזקת מינוס תשיעית. במקרה של שבבי מוליכים למחצה, ננומטר מתייחס בדרך כלל לגודל הקטן ביותר של טרנזיסטור, או לגודל המבני הקטן ביותר המרכיב את היחידות הפונקציונליות הבודדות בשבב. לכן, תהליך ה-7 ננומטר מתייחס לייצור של טרנזיסטור עם מבנה מינימלי של 7 ננומטר על שבב.

ככל שהטרנזיסטורים ממשיכים להתכווץ בגודלם, שילוב השבבים, מהירות המחשוב ויעילות האנרגיה גדלו באופן דרמטי. עם זאת, מימושן של פריצות דרך טכנולוגיות אלו אינו חלק מהפלגה, אלא מצריך פתרון של שורה של בעיות טכניות מתכנון ועד חומרים, תהליכים ועד ייצור.

0040-09963 PEDESTAL,150MM FLAT,IS,NI LIFT2,HVCEN

0021-20572 PEDESTAL, 6 ADV.101 FULL CVRG

 

מדוע כל כך קשה לפרוץ את תהליך ה-7 ננומטר?

פריצת הקשיים של תהליך ה-7nm ניתנת למעשה לפירוק במספר ממדים. כדי להבין את זה טוב יותר, הבה נשווה את זה לבניית מכונה יותר ויותר מתוחכמת, מורכבת ויעילה. תארו לעצמכם שאתם מנסים ליצור שעון בעל דיוק גבוה, שבו כל הילוך וחלק צריכים להיות כל כך קטנים ומדויקים שאפילו שגיאה של כל פרט עלולה לגרום לתפקוד הכולל להיכשל. עבור תהליך ייצור המוליכים למחצה, תהליך ה-7 ננומטר הוא אתגר כה קיצוני.

1. קירוב הגבולות הפיזיים

כאשר גדלי הטרנזיסטורים ממשיכים לרדת, התקרבו לכמה גבולות פיזיים. ברגע שגודל הטרנזיסטור קטן מ-10 ננומטר, האפקט הקוונטי מתחיל להתבטא. לדוגמה, אלקטרונים מציגים מנהור קוונטי בטרנזיסטורים הזעירים הללו, שבהם אלקטרונים יכולים לעבור דרך ה"באר" של הטרנזיסטור, ולגרום לדליפה לזרם, להשפיע על ביצועי השבב וצריכת החשמל.

כדי להתגבר על בעיות אלו, מעצבי שבבים צריכים להסתמך על טכנולוגיות חדשניות, כגון שימוש בחומרים איכותיים יותר (למשל, חומרים בעלי קבוע דיאלקטרי גבוה) או מבני טרנזיסטורים מתקדמים יותר (למשל, FinFETs). עם זאת, הכנסת טכנולוגיות אלו אינה שדרוג פשוט, אלא עומדת בפני אתגרים משמעותיים בחומרים, ייצור והנדסה.

2. אתגרי הליטוגרפיה

ליטוגרפיה היא אחד ההיבטים הקריטיים ביותר בתהליך ייצור המוליכים למחצה. פוטוליתוגרפיה היא תהליך של הקרנת דפוס עיצובי על חומר רגיש לאור על פרוסת סיליקון כדי לאפיין את המבנה של שבב. עם זאת, כאשר גדלי הטרנזיסטורים ממשיכים להתכווץ, טכניקות ליתוגרפיה מסורתיות כגון ליטוגרפיה אולטרה סגולה עמוקה (DUV) אינן מסוגלות לענות על צורכי ייצור עדינים כל כך.

כדי לפתור בעיה זו, הוכנסה טכנולוגיית ליטוגרפיה אולטרה סגולה קיצונית (EUV), המאפשרת שימוש באורכי גל קצרים יותר של אור, וכתוצאה מכך דיוק הליטוגרפיה משופר. עם זאת, טכנולוגיית EUV עצמה מתמודדת עם בעיות רבות: ראשית, קשה לפתח מקורות אור EUV ודורשים הספק גבוה יותר כדי להשיג חשיפה מספקת; שנית, לדיוק ההדמיה של תהליך החשיפה ל-EUV יש דרישות גבוהות מאוד לציוד, וגם המחקר והפיתוח של חומרים פוטו-רזיסט נמצאים בהתקדמות מתמשכת.

לכן, פריצות דרך בטכנולוגיית הליטוגרפיה דורשות לא רק תמיכה בציוד מתקדם, אלא גם שיתוף פעולה רב-תחומי במדעי החומרים, אופטיקה ותחומים אחרים.

3. אתגרים בעיצוב חומרים ומכשירים

עם התקדמות תהליך ה-7nm, קשה לעמוד בדרישות של יעילות גבוהה על ידי הסתמכות על חומרי סיליקון בלבד. המגבלות של מדע החומרים אילצו אותנו לשקול חומרים חלופיים, כגון חומרים בעלי ק גבוה, כמו גם חומרים מוליכים למחצה חדשים כגון גליום ניטריד, ננו-צינורות פחמן וכו'. לחומרים החדשים הללו יש פוטנציאל לשפר את ביצועי השבבים, אך התאימות שלהם, יציבות ושילוב עם תהליכי ייצור קיימים נותרו אתגרים.

בנוסף, תהליך ה-7nm דורש אורכי שער קצרים מאוד לטרנזיסטורים, מה שמציב דרישות גבוהות יותר לעיצוב המכשיר. מעצבים צריכים לשלוט במדויק על הגודל והפריסה של כל מכשיר כדי למנוע בעיות כמו דליפה נוכחית והשפעות תרמיות מוגזמות עקב שגיאות.

4. דיוק ייצור ובקרת עלויות

ייצור שבבים עם תהליכים של 7 ננומטר דורש ציוד ותהליכים בעלי דיוק גבוה במיוחד. לדוגמה, תהליכים כמו עיבוד פרוסות סיליקון, השקת סרטים דקים, תחריט כולם דורשים דיוק גבוה במיוחד, מה שמציב דרישות תובעניות ביותר לציוד הייצור. בנוסף, בשל הגודל הקטן ביותר של הטרנזיסטורים בתהליך ה-7 ננומטר, אפילו שגיאות הייצור הקטנות ביותר עלולות להוביל לירידה משמעותית בביצועי השבב כולו, ולכן יש לשלוט בקפדנות על כל שלב בתהליך הייצור.

דרישות הדיוק הגבוהות בתהליך הייצור ושרשרת התהליכים המורכבת מביאות לעלייה משמעותית בעלויות. לדוגמה, השימוש בליטוגרפיה EUV מצריך ציוד יקר יותר ויש לו שיעור תפוקה נמוך של ייצור, מה שעלול בקלות להוביל לפגמים במהלך הייצור, וכתוצאה מכך שבבים מרוסקים.

5. בעיות צריכת חשמל וניהול תרמי

ככל שהשבבים הולכים וקטנים, מספר הטרנזיסטורים המשולבים גדל, וכל טרנזיסטור עדיין צורך חשמל. ככל שמספר הטרנזיסטורים גדל, הבעיה של צריכת החשמל מתבררת בהדרגה. בעוד שתהליך ה-7 ננומטר יעיל יותר באנרגיה מהתהליך המסורתי, ניהול החשמל של החלקים השונים בתוך השבב הפך למורכב יותר.

בנוסף, צריכת החשמל קשורה קשר הדוק לחום, וכאשר לא ניתן לפזר את החום בתוך השבב ביעילות, הדבר עלול לגרום להתחממות יתר של השבב, מה שעלול להשפיע על הביצועים או אפילו לשרוף את המכשיר. לכן, איך לתכנן מערכת ניהול תרמית יעילה כדי להימנע מהשפעות תרמיות הנגרמות מצריכת חשמל מופרזת היא גם אחת הבעיות המרכזיות שעומדות בפני תהליך 7nm.

פתרונות והתפתחויות עתידיות

למרות האתגרים הרבים של פריצת תהליך ה-7nm, תעשיית המוליכים למחצה כבר עשתה פריצות דרך ראשוניות עם מספר פתרונות חדשניים:

ליתוגרפיה אולטרה סגולה קיצונית (EUV):ליטוגרפיית EUV מתבגרת ותהפוך לטכנולוגיה העיקרית עבור צמתי תהליכים קטנים יותר כגון 5nm, 3nm ואפילו קטנים יותר בעתיד.

מעגלים משולבים תלת מימדיים (IC 3D):על מנת לפרוץ את הגבולות הפיזיים של פריסות מטוסים, חברות מוליכים למחצה רבות החלו לחקור טכנולוגיית מעגלים משולבים תלת מימדיים (3D IC), אשר משפרת עוד יותר את האינטגרציה והביצועים של שבבים על ידי הערמה אנכית של טרנזיסטורים, זיכרונות ורכיבים אחרים.

חומרים חדשים מוליכים למחצה:בנוסף לסיליקון, התעשייה בוחנת גם חומרים מוליכים למחצה חדשים אחרים, כגון ננו-צינורות פחמן, גרפן וכו', כדי לטפל במגבלות הפיזיות בהן נתקלים חומרי סיליקון מסורתיים בתהליך של הפחתת גודל.

מחשוב קוונטי:בעוד שמחשוב קוונטי עדיין רחוק מלהיות מאומץ נרחב, הוא צפוי לשבור את צוואר הבקבוק של מחשוב מסורתי מבוסס סיליקון כחלופה פוטנציאלית לארכיטקטורות מחשוב עתידיות.

מַסְקָנָה

הקושי לפרוץ את תהליך ה-7nm הוא לא רק פריצת דרך ברמה הטכנית, אלא גם כרוך ביישום מקיף של דיסציפלינות מרובות כמו מדעי החומרים, פיזיקה, כימיה והנדסה.