A félvezetőipar folyamatosan keresi azokat az innovatív technológiákat, amelyekkel a chipek gyártási költségei csökkenthetők, miközben a teljesítmény és a felbontás javul. Ebben a versenyben lép színre az amerikai startup, a Substrate, amely egy új, részecskegyorsító alapú X-ray litográfia (XRL) rendszert fejleszt. Ez a technológia ígérete szerint nemcsak versenyképes alternatívája lehet a jelenlegi EUV litográfiának, hanem akár még finomabb, 2 nanométeres vagy annál is kisebb csíkszélességű gyártást tesz lehetővé – mindezt jelentősen alacsonyabb költségek mellett.
A jelenlegi helyzet: drága EUV eszközök és növekvő gyártási költségek
Az integrált áramkörök egyre kisebb jellemző méreteinek eléréséhez a chipgyártók egyre bonyolultabb és drágább litográfiai berendezéseket használnak. Egy ASML NXE:3800E Low-NA EUV szkenner ára körülbelül 235 millió dollár, míg a fejlettebb EXE:5200B High-NA EUV szkenner ára eléri a 380 millió dollárt. Ennek következtében az új gyárak építési költségei is az egekbe szöktek, és a chipek előállítása egyre drágábbá válik.
A Substrate előrejelzése szerint egy élvonalbeli félvezetőgyár 2030-ra akár 50 milliárd dollárba is kerülhet, ami miatt csak néhány nagyvállalat engedheti meg magának az ilyen beruházásokat. Egy 300 mm-es szilícium wafer gyártási költsége pedig akár 100 000 dollárra is nőhet, ami kis cégek számára megfizethetetlenné teszi az élvonalbeli chipek fejlesztését és gyártását.
A Substrate célja, hogy ezt radikálisan megváltoztassa, és 2030-ra a wafer árát mindössze 10 000 dollárra csökkentse. A cég szerint „a vezető élvonalbeli szilícium előállítási költségét egy nagyságrenddel tudjuk csökkenteni a jelenlegi trendhez képest”.
Az X-ray litográfia technológiája – hogyan működik a Substrate rendszere?
A Substrate által fejlesztett rendszer központi eleme egy egyedi részecskegyorsító, amely elektronokat gyorsít fel közel fénysebességre rádiófrekvenciás üregek segítségével. Ezek az elektronok mágneses térben rezegnek („wiggler” effektus), így koherens, rendkívül intenzív röntgensugarakat bocsátanak ki – ezek fényessége „milliárdszorosa a Napénak”.
Ezeket az X-ray impulzusokat tökéletesen polírozott optikai elemek fókuszálják, majd egy fotomásolótól függetlenül közvetlenül vetítik rá a fényérzékeny réteggel bevont szilícium waferre. Bár a cég hivatalosan nem említi kifejezetten a maszkot vagy fotorezisztet, ez arra utalhat, hogy maszk nélküli közvetlen írásos litográfiát alkalmaznak – ami kutatási célokra megfelelő, de tömeggyártásban még kihívást jelenthet.
Műszaki kihívások és megoldások
- Röntgensugarak kezelése: Az X-ray sugárzás rövid hullámhossza miatt speciális tükrökre van szükség, amelyek nagyon sekély beesési szögben tükröznek, hogy elkerüljék az elnyelődést.
- Új fotoreziszt anyagok: A hagyományos EUV-rezisztekkel szemben új anyagokat kell kifejleszteni, amelyek képesek ellenállni a nagy energiájú fotonoknak anélkül, hogy károsodnának vagy elmosódnának.
- Pontos optikai igazítás: Az XRL rendszernek extrém precíziós beállításokra van szüksége ahhoz, hogy biztosítsa az alacsony hibaszázalékot és magas hozamot.
Eddigi eredmények: 2nm-es kritikus méret és kiváló mintaminőség
A Substrate már bemutatott olyan mintákat, amelyek kritikus mérete (CD) körülbelül 12 nm-esek voltak, valamint tip-to-tip (T2T) távolságuk mindössze 13 nm – ez jelentős előrelépés a jelenlegi EUV technológiákhoz képest. Emellett random vias (kapcsolati pontok) esetében is kiváló minőségű mintázatot értek el 30 nm-es középpont-középpont távolsággal.
Összehasonlításképpen: a mai modern EUV szkennerek (0.33 NA optikával) általában 13–16 nm közötti kritikus méreteket érnek el nagy volumenű gyártásban. Ezekkel körülbelül 26 nm-es minimális fém-pitch (fémvezeték távolság) nyomtatható egyszeri expozícióval.
További teljesítményadatok
- Overlay pontosság: kevesebb mint 1.6 nm (az ASML legjobb gépei kb. 0.9 nm-et érnek el)
- Kritikus méret egységesség (CDU): 0.25 nm teljes waferen
- Vonalél érdesség (LER): kevesebb mint 1 nm
- Helyi kritikus méret egységesség (LCDU): kevesebb mint 1.5 nm
Ezek az eredmények azt mutatják, hogy ha laboratóriumi környezetben igazak és reprodukálhatók tömeggyártásban is, akkor a Substrate rendszere jelentős előrelépést jelenthet az iparág számára.
Kihívások és jövőbeli feladatok
Bár az eddigi eredmények biztatóak, még számos akadályt kell leküzdenie a Substrate-nek ahhoz, hogy laboratóriumi sikereiből működőképes ipari gyártási eszköz váljon:
- Fényforrás stabilitása és optikai precizitás fenntartása
- Új fotoreziszt anyagok kifejlesztése és tömeggyártása
- X-ray kompatibilis fotomászok előállítása
- Tükrök tömeggyártása megbízhatóan és gazdaságosan (pl. Zeiss-szel együttműködés)
- X-ray sugárzás okozta transistor károsodások és véletlenszerű hibák minimalizálása
- Továbbfejlesztett overlay pontosság elérése (1 nm alatti célérték)
- Kereskedelmi volumenű áteresztőképesség és konzisztens hozam biztosítása
- A gyártósor integrációja más félvezetőgyártó eszközökkel és folyamatokkal
A Substrate üzleti modellje: saját gyár építése és foundry szolgáltatás nyújtása
Egyedülálló módon a Substrate nem tervezi eszközeinek értékesítését más vállalatoknak – például Intelnek vagy TSMC-nek –, hanem saját félvezetőgyárakat kíván építeni az Egyesült Államokban. Ezekben telepítené saját XRL berendezéseit, majd foundry szolgáltatásokat kínálna ügyfelei számára.
Ez stratégiai fontosságú lépés lehet geopolitikai szempontból is, hiszen így az USA-ban erősödhetne meg a félvezető ellátási lánc függetlensége.
A stratégia nehézségei
- A magas beruházási igény miatt egyetlen high-end gyár építése több tízmilliárd dolláros befektetést igényel.
- Szükséges egy teljes beszállítói ökoszisztéma kiépítése XRL technológiára szabva.
- A berendezések integrációja más gyártóeszközökkel komplex műszaki feladat.
- A párhuzamosan futó eszközfejlesztés és foundry működtetés jelentős pénzügyi és műszaki erőforrásokat köt le.
- Ezek miatt kérdéses, hogy valóban sikerül-e tartaniuk az ígért $10 000-os wafer árat évtized végére.
Kitekintés: versenytársak és globális kutatások
A részecskegyorsító alapú fényforrások alkalmazása nem kizárólag a Substrate sajátja. Az Egyesült Államokban több startup – például az Inversion Semiconductor és xLight –, valamint kutatóintézetek (pl. Johns Hopkins University) is dolgoznak hasonló technológiákon. Kínai és japán kutatók is vizsgálják ezt az irányt félvezetőgyártási célokra.
Záró gondolatok: új paradigma előtt állunk?
A Substrate által képviselt X-ray litográfia potenciálisan forradalmasíthatja a chipgyártást: finomabb csíkszélességet kínálhat olcsóbban és hatékonyabban, mint jelenlegi EUV rendszerek. Ugyanakkor számos technológiai és üzleti kihívást kell még leküzdenie ahhoz, hogy laboratóriumi sikereiből ipari áttörés legyen.
Ha sikerrel járnak, nemcsak új mércét állíthatnak fel teljesítményben és árban, hanem visszahelyezhetik az Egyesült Államokat is a globális félvezető ellátási lánc élére – mindezt úgy, hogy saját foundry szolgáltatásaikkal közvetlen versenytársai lesznek jelenlegi óriásoknak.