تعمل شركة Substrate الأمريكية الناشئة على تطوير نظام جديد للطباعة الحجرية بالأشعة السينية (XRL)، مدعوم بمصدر ضوء قائم على معجل الجسيمات، والذي يَعِد بأداء فائق وكفاءة من حيث التكلفة مقارنة بالطباعة الحجرية القياسية بالأشعة فوق البنفسجية، بهدف تحقيق دقة تعادل عمليات ASML من فئة 2 نانومتر. تدعي الشركة أيضًا أنها تستطيع التقدم إلى ما هو أبعد من ذلك. وتدعي شركة Substrate أيضًا أن جهودها ستكون أرخص في الإنتاج من تلك التي تبذلها الشركات المنافسة، وستقدم دقة أفضل قبل عام 2030، كما أوضحت الشركة بالتفصيل على موقعها على الإنترنت.
أدوات باهظة الثمن = رقائق باهظة الثمن
نظرًا لأن ميزات الدوائر المتكاملة أصبحت أصغر، يستخدم صانعو الرقائق أدوات الطباعة الحجرية المعقدة بشكل متزايد والتي تكلف الآن حوالي 235 مليون دولار للماسح الضوئي ASML NXE:3800E Low-NA EUV أو حوالي 380 مليون دولار للماسح الضوئي ASML EXE:5200B High-NA EUV. ونتيجة لذلك، أصبح بناء المصانع المصنعة باهظ التكلفة على نحو متزايد، وأصبح إنتاج الرقائق أكثر تكلفة.
تشير نماذج الركيزة إلى أن شركة التصنيع الرائدة ستكلف حوالي 50 مليار دولار بحلول عام 2030، مما يترك إنتاج أشباه الموصلات لحفنة من الشركات ذات الموارد المالية العميقة. علاوة على ذلك، من المتوقع أن تؤدي مثل هذه النفقات الرائعة إلى زيادة تكلفة الرقاقة بقطر 300 ملم، والتي تدعي أنها يمكن أن تتضخم إلى 100 ألف دولار عند استخدام عمليات التصنيع المتطورة. وهذا سيجعل تطوير وإنتاج الرقائق المتقدمة باهظ التكلفة بالنسبة للشركات الصغيرة. تعتزم Substrate تغيير ذلك وخفض أسعار الرقائق إلى 10000 دولار فقط بحلول عام 2030.
وجاء في بيان صادر عن الشركة: “في Substrate، لدينا طريق لتقليل تكلفة السيليكون المتطور بمقدار كبير مقارنةً بمسار قياس التكلفة الحالي الذي نتبعه”. “بحلول نهاية العقد، ستنتج شركة Substrate رقائق بقيمة تقارب 10000 دولار، وليس 100000 دولار.”
لاحظ أن Substrate ليست بأي حال من الأحوال الشركة الوحيدة التي تستكشف مسرعات الجسيمات كمصادر للضوء للطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية أو ما بعد الأشعة فوق البنفسجية. في الولايات المتحدة وحدها، كشفت شركتان – Inversion Semiconductor وxLight – بالإضافة إلى باحثين في جامعة جونز هوبكنز، عن أنهم يعملون على أنظمة الطباعة الحجرية التي تسخر مسرعات الجسيمات على مدار الـ 12 شهرًا الماضية. ويقوم العلماء الصينيون والباحثون اليابانيون أيضًا باختبار مسرعات الجسيمات لإنتاج أشباه الموصلات.
الطباعة الحجرية بالأشعة السينية للركيزة
تقوم شركة Substrate بتطوير نوع جديد من نظام الطباعة الحجرية الذي يستخدم مسرع الجسيمات لإنتاج إشعاع الأشعة السينية ذو الطول الموجي القصير (أو الضوء) لصناعة الرقائق. الهدف هو استبدال ماسحات الطباعة الحجرية EUV باهظة الثمن من ASML بآلات مدمجة ومنخفضة التكلفة قادرة على طباعة أنماط الترانزستور بتقنية معالجة من فئة 2 نانومتر (أو حتى أكثر تقدمًا، كما تدعي الشركة). تدعي الشركة أن الجهاز يجب أن يقلل تكاليف إنتاج الرقائق بمقدار 10 مرات بحلول نهاية العقد.
يوجد في قلب تقنية Substrate مسرع جسيمات مخصص يدفع الإلكترونات (التي ينتجها باعث غير معروف) إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء باستخدام تجاويف الترددات الراديوية. عندما تمر هذه الإلكترونات عبر مجالات مغناطيسية متفرقة، فإنها تكتسب طاقة حركية، وتتسارع إلى سرعات قريبة جدًا من سرعة الضوء (السرعة النسبية)، مما يسمح لها بإنتاج أنواع خاصة من الضوء عند التلاعب بها. تطير هذه الإلكترونات سريعة الحركة عبر سلسلة من المغناطيسات التي تتقلب ذهابًا وإيابًا، وتهز الإلكترونات وتتسبب في إطلاق طاقتها وإنتاج رشقات متماسكة من ضوء الأشعة السينية المكثف (أو الإشعاع).
وهذا الضوء “أكثر سطوعًا بمليارات المرات من الشمس”، ومن المحتمل أن ينتج نبضات شديدة بما يكفي لتحقيق الدقة والجرعة المطلوبة. يتم بعد ذلك تركيز نبضات الأشعة السينية من خلال “سلسلة من البصريات المصقولة تمامًا” لعرض قناع ضوئي على رقاقة سيليكون مغلفة بمقاوم للضوء. لاحظ أن الركيزة لا تذكر أبدًا الشبكة والمقاومة في وصفها الرسمي، وتدعي فقط أن “نبضات الضوء الساطعة” تتم موازنتها ونقلها “على طول الطريق إلى رقاقة السيليكون”، وهو ما يعني الطباعة الحجرية بدون قناع للكتابة المباشرة، وهي جيدة بما يكفي لأغراض البحث، ولكن أوامر الحجم بطيئة جدًا لإنتاج كميات كبيرة من الرقائق. ومع ذلك، تظل هذه تكهنات من جانبنا.
في الواقع، وصف Substrate لتقنياتها موجز للغاية ويفتقر إلى التفاصيل (ربما لأسباب تنافسية)، مما يجعل من الصعب تحليلها. ومع ذلك، بما أن الشركة ذكرت الأشعة السينية، فنحن نتعامل مع الإشعاع الكهرومغناطيسي بأطوال موجية تتراوح من 0.01 نانومتر إلى 10 نانومتر وطاقات تتراوح من حوالي 100 فولت إلى 100 كيلو فولت. كلما كان الطول الموجي أقصر، كان الهيكل الذي يمكن طباعته بدقة محسنة أكثر دقة، ولكن كلما زادت صعوبة التحكم في الضوء والعمل معه.
ونظرًا لإنجازات Substrate حتى الآن، فمن المحتمل أننا نتعامل مع الأشعة السينية الناعمة (أطوال موجية تتراوح من 1 إلى 10 نانومتر، طاقة أقل) بدلاً من الأشعة السينية الصلبة (أطوال موجية تتراوح من 0.1 إلى 1 نانومتر، طاقة أعلى).
نظرًا لأن الضوء ذو الطول الموجي القصير (بما في ذلك الأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية) يتم امتصاصه بقوة من قبل معظم المواد، فإن إدارته تتطلب مجموعة من المرايا المصقولة تمامًا والتي تعكس الضوء عند زوايا الرعي (لتجنب الامتصاص)، ومحاذاة دقيقة للغاية، وبيئات مفرغة. كما تتطلب الطباعة الحجرية بالأشعة السينية مقاومات جديدة تمامًا يمكنها التعامل مع الفوتونات عالية الطاقة دون تلف أو ضبابية.
الإنجازات حتى الآن
تباعد الأقراص المضغوطة وT2P يشبه 2 نانومتر
لإثبات نجاح طريقة XRL الخاصة بها، عرضت Substrate صورًا لمصفوفة اتصال منطقية عشوائية ذات أبعاد حرجة (CD) تبلغ 12 نانومتر ومسافة 13 نانومتر من طرف إلى طرف (T2T) مطبوعة بدقة عالية للنمط، بالإضافة إلى منافذ عشوائية مع خطوة من مركز إلى مركز مقاس 30 نانومتر، وتمتلك جودة نمط رائعة وتوحيد الأبعاد الحرجة. إذا أمكن تحقيق مثل هذه المقاييس للإنتاج الضخم اليوم، فإن هذا من شأنه أن يحدث ثورة كبيرة في صناعة الطباعة الحجرية، لأنه سيمكن من التوسع عبر كلا المحورين عند العقد من فئة 2 نانومتر (وأقل) دون استخدام الأنماط المتعددة.
يمكن للماسحات الضوئية الحديثة بالأشعة فوق البنفسجية ذات بصريات 0.33 NA تحقيق أبعاد حرجة تبلغ 13 نانومتر – 16 نانومتر في التصنيع بكميات كبيرة، وهو ما يكفي لطباعة خطوة معدنية بحد أدنى 26 نانومتر (جيدة بما يكفي لتقنيات المعالجة من فئة 2 نانومتر أو 3 نانومتر) ومساحة توصيل T2T مقاس 25 نانومتر مع تعريض ضوئي واحد.
تظهر مثل هذه عدم التناسب لأن صانعي الرقائق يميلون إلى تحسين الدقة في الاتجاه Y (CD) للحصول على أضيق نمط لمسافة الخط المعدني، ولكن على حساب الدقة في الاتجاه X، مما يعني أن طباعة T2T سيئة أو غير متسقة، مما يؤدي إلى عيوب التجسير، والعيوب العشوائية، وفقدان الإنتاجية، وقواعد التصميم المعقدة، والقياس الأبطأ. للتخفيف من ذلك وتجنب نهايات الخطوط غير الواضحة أو غير المتناسقة عند التباعد من طرف إلى طرف، تطبق Intel أدوات تشكيل النمط في الاتجاه X باستخدام تقنية التصنيع 18A، لكن هذا يعقد تدفق الإنتاج الإجمالي ولا يحل المشكلة بشكل أساسي.
يمكن لأداة Substrate (بافتراض أن هذه نتائج معملية حقيقية، وليست محاكاة) أن تتفوق بالفعل على الماسحات الضوئية الحالية Low-NA EUV من حيث الأقراص المضغوطة القابلة للتحقيق ذات النقش أحادي الدقة، وتتخلف عنها بشكل كبير عندما يتعلق الأمر بتباعد T2T المطبوع بدقة عالية. وهذا يعني أن أداة الطباعة الحجرية بالأشعة السينية الخاصة بـ Substrate يمكن أن تحل محل الأنماط المتعددة EUV المكلفة المستخدمة لتقنيات المعالجة المتطورة من فئة 3 نانومتر و2 نانومتر أو تشكيل الأنماط المستخدمة في Intel 18A.
أصدقاؤنا في شبه التحليل تمكنت من الحصول على المزيد من مطالبات الأداء من Substrate، والتي تبدو أكثر إثارة للإعجاب. تدعي الشركة أنها حققت دقة تراكب أقل من 1.6 نانومتر، وتوحيد البعد الحرج الكامل للرقاقة (CDU) بمقدار 0.25 نانومتر، وخشونة حافة الخط (LER) أقل من 1 نانومتر، وتوحيد البعد الحرج المحلي (LCDU) أقل من 1.5 نانومتر.
إذا كان هذا الأداء دقيقًا، فإنه سيطابق أو يفوق ASML's Twinscan NXE:3800E من حيث التوحيد، على الرغم من أن دقة التراكب الخاصة به أسوأ قليلاً من معيار التراكب المطابق للآلة مقاس 0.9 نانومتر في أحدث الماسحات الضوئية EUV. كما أن اتساق عرض الخط لجهات الاتصال في الصورة المقدمة بواسطة Substrate ضعيف إلى حد ما.
على افتراض أن النتائج التي قدمتها Substrate حقيقية وتم تحقيقها في بيئة معملية، فهذا يعني أن الشركة قد حلت ثلاثة تحديات حرجة باستخدام الطباعة الحجرية بالأشعة السينية. أولاً، قم ببناء مصدر للضوء يضم مسدسًا إلكترونيًا ومسرعًا للجسيمات؛ ثانياً، إنشاء نظام مرآة لمنطقة الرعي لعكس وتركيز الأشعة السينية في زوايا ضحلة جداً؛ وجعل كل شيء مضغوطًا بما يكفي ليناسب المختبر.
التحديات المستقبلية
ومع ذلك، لا يزال أمام Substrate الكثير من العمل للقيام به، حيث تحول تقنية الطباعة الحجرية بالأشعة السينية من نجاح معملي إلى أداة إنتاج قابلة للتطبيق. يجب أن تثبت الركيزة أن نظام الطباعة الحجرية بالأشعة السينية الخاص بها يمكنه الحفاظ على استقرار الشعاع، والدقة البصرية، وتوافق المقاومة، ودقة التراكب، والإنتاجية التجارية في وقت واحد، وهو أمر لم تحققه أي منصة للأشعة السينية على الإطلاق.
إن مقاومات الضوء الموجودة غير متوافقة مع الأشعة السينية، حيث أنها محسنة لإشعاع الأشعة فوق البنفسجية مع طاقة فوتون أقل بكثير. لذلك، سيتعين على الركيزة أن تخترع مقاومة مناسبة ثم تنتجها بالحجم. وسيتعين على الشركة أيضًا تطوير أقنعة ضوئية يمكنها تحمل إشعاع الأشعة السينية. كما أن مرايا التقاط الأشعة السينية لا يتم إنتاجها بكميات كبيرة، ومن غير المعروف ما إذا كان من الممكن إنتاجها بكميات كبيرة وبتكلفة زهيدة وموثوقة من قبل المنتجين الحاليين مثل زايس.
يجب أيضًا أن تتأكد الركيزة من أن الأشعة السينية لا تلحق الضرر بالترانزستورات الأساسية أو تسبب عيوبًا عشوائية. يظل تحقيق دقة التراكب أقل من 1 نانومتر (لمطابقة دقة محاذاة مستوى الإنتاج الخاصة بـ ASML) تحديًا آخر للشركة. ربما يرجع ذلك إلى أن الشركة لا تزال بحاجة إلى معالجة مشكلات مثل التعامل مع الرقاقات، وتكرار المرحلة، وعوامل أخرى تتعلق بالميكانيكا عالية الدقة، والتي استغرقت ASML عقودًا لحلها.
علاوة على ذلك، يجب أن تصل الأداة إلى إنتاجية تجارية وإنتاجية ثابتة، وهو الأمر الذي استغرق سنوات بالنسبة لأدوات ASML EUV. في الواقع، يعد الجدول الزمني لرحلة ASML EUV مثاليًا تمامًا: فقد استغرقت الصناعة 12 عامًا لتتطور من أداة ألفا التجريبية (2006) إلى الإنتاج الضخم (2018)، وحوالي سبع سنوات للانتقال من أول نظام ما قبل الإنتاج (2010) إلى ماسح ضوئي قادر على الإنتاج الضخم.
نموذج جديد
عند الحديث عن أدوات الطباعة الحجرية بالأشعة السينية ذات القدرة على الإنتاج الضخم، من المهم ملاحظة أن Substrate ليس لديه أي نية لبيعها إلى أطراف ثالثة مثل Intel أو TSMC. وبدلاً من ذلك، تخطط شركة Substrate لبناء مصانعها الخاصة في الولايات المتحدة (وهي خطوة يمكن أن تمنح الشركة أهمية جيوسياسية في نظر حكومة الولايات المتحدة)، وتثبيت أدوات إضافية، وتقديم خدمات المسبك، وبالتالي تحدي الشركات المصنعة لعقود الرقائق الحالية.
ومع ذلك، تضيف هذه الاستراتيجية التعقيد والتكلفة. إن بناء مصنع واحد متطور لتصنيع أشباه الموصلات سوف يتطلب عشرات المليارات من الدولارات من الاستثمارات ونظاماً بيئياً ضخماً من الموردين والبنية الأساسية للخدمات، وهو النظام غير الموجود حالياً لإنتاج الطباعة الحجرية بالأشعة السينية.
ستحتاج شركة Substrate أيضًا إلى دمج آلات XRL litho الخاصة بها مع مئات الأدوات الأخرى في المصنع، أو إقناع مورديها (مثل Applied Materials، وKLA، وLam Research، وما إلى ذلك) لمساعدتها على القيام بذلك، الأمر الذي من المحتمل أن يتضمن المزيد من الاستثمارات من الشركة، مما يجعل أول مصنع لها باهظ الثمن بشكل خاص.
كما أن تشغيل كل من نشاط صناعة الأدوات ومسبك الرقائق من شأنه أن يستنفد الموارد التقنية والمالية لشركة Substrate، الأمر الذي سيجعل من الصعب بشكل خاص تحقيق السعر الموعود لكل رقاقة وهو 10000 دولار بحلول نهاية العقد، حيث من المرجح أن يطلب مستثمروها عوائد بعد ضخ عشرات المليارات من الدولارات في الشركة.
ومع ذلك، إذا نجحت Substrate في كلا الدورين، فقد تحول توازن سلسلة توريد أشباه الموصلات مرة أخرى إلى الولايات المتحدة، حيث من المرجح أن تتفوق الشركة على أدوات ASML من حيث الدقة والأداء، وTSMC من حيث وقت دورة التصميم والحجم المحتمل.
للحصول على مزيد من التحليلات الإخبارية الثاقبة، اشترك في Tom's Hardware Premium مقابل 7 دولارات فقط شهريًا لفترة محدودة.
يتبع أجهزة توم على أخبار جوجل، أو أضفنا كمصدر مفضل، للحصول على آخر الأخبار والتحليلات والمراجعات في خلاصاتك.
التعليقات