Intel: nincs megállás a miniatürizálásban

A néhány éve elindított \"tik-tak\" stratégia részeként az Intel páratlan években új gyártástechnológiát vezet be, páros években pedig új mikroarchitektúrával rukkol elő. 2009-ben állt tömegtermelésbe a 32 nanométeres félvezetőgyártási eljárás, amelyen a Westmere-generációs processzorok készülnek, ezeket a januári Consumer Electronics Show alkalmával mutatja be a vállalat.

Rob Willoner elmondása szerint a cég akár két évnél hamarabb is elő tudna állni új chipgyártási technológiával, ha arra szükség lenne. Egyelőre azonban nincs az idő vagy a versenytársak szorításában az Intel, amely a világon elsőként kezdte meg a 32 nanométeres chipek tömegtermelését. Egy új félvezetőgyártási generációs technológia kifejlesztése és bevezetése óriási összegeket emészt fel, a 32 nanométeres eljárás tömegtermelésbe állítására 7 milliárd dollárt költött az Intel, jövőre már négy gyár ontja a 32 nanométeres chipeket. Éppen ezért a maximumot kell kihozni minden eljárásból és minél tovább termelésben tartani, hogy megtérüljenek az óriási kiadások. A kétéves ciklus tehát nem a technológia, hanem a gazdaságosság diktálja.

Jelenleg az Intelen kívül egyetlen félvezetőgyártónak sincs ilyen fejlett technológiája, a tranzisztorok karakterisztikája az iparban eddig dokumentált 32 és 28 nanométeres eljárások közül a legjobb. Az eljárás fejlesztése és bevezetése is meglepően jól haladt, a selejtarány már most rendkívül alacsony - árulta el  a Budapesten született, lengyes és magyar felmenőkkel egyaránt rendelkező Willoner.

Intel: gyártástechnológiák selejtaránya

A Westmere generációs chipek gyártásához használt 32 nanométeres chipgyártási eljárás a 45 nanométeres technológia egyenes továbbfejlesztésének tekinthető. Az új technológia is magas k-együtthatójú dielektrikumot és fémalapú kapuoxidot használ és összesen 9 rézalapú réteget tartalmaz, amelyeket alacsony k-együtthatójú vezetékek kapcsolnak össze. Jelentős eltérés mutatkozik ugyanakkor a levilágításban. Míg a 45 nanométeres generáció esetében tisztán száraz levilágítást használt az Intel, a 32 nanométeres eljárásnál a kritikus rétegeket merítéses, azaz immerziós litográfiával készítik. Az eljárás során nagy tisztaságú víz segít a fénysugarak fókuszálásában.

Inverz litográfia: gombhoz a kabátot

A levilágítás problematikájának kezelése kritikus fontosságúvá vált, a litográfiai berendezések által használt fény hullámhossza ugyanis a 90 nanométeres generáció óta megrekedt 193 nanométeren és Willoner becslése szerint még évekig nem várható az extrém ultraibolya (EUV) levilágítók megjelenése a tömegtermelésben. Ennek oka hogy a berendezések még nem kiforrottak, másrészt nagyon drágák (darabonként akár 100 millió dollárba is kerülhetnek) és az eljárás maga is bonyolult és költséges, mivel a levilágításhoz vákuum szükséges.

Willoner elmondása szerint az Intelnél a gyártástechnológiát fejlesztő mérnökök felkészültek az EUV-t elkerülő útra és ennek köszönhetően nem csak a 2011-ben esedékes 22 nanométeres lapkák, hanem várhatóan a 2013-ban várható 16 nanométeres generáció gyártásához is használhatók lesznek még a jelenleg elterjedt, 193 nanométeres levilágítók. Ehhez persze különféle trükköket kell bevetni mint amilyen az immerzió vagy például a \"computational lithography\", más néven inverz litográfia, amely nem más mint a maszkok optimalizálása a teljes levilágítási procedúra összes elemének számítógépes szimulációjával.

Ahogy egyre kisebbek a struktúrák, annál nehezebb azokat  ultraibolya levilágítással kialakítani, hiszen a felhasznált fény hullámhossza (193 nm) már többszöröse a struktúrákénak - a feladat ahhoz hasonló, mintha egy részletes műszaki rajzot zsírkrétával kellene elkészíteni. A szilíciumra vetített minta a difrakció miatt torzul, elmosódottá válik, alulexponált marad, akár össze is csúszhatnak ábrák, s végül nem azt kapjuk, ami a maszkon látható.

Optikai korrekció (Forrás: IEEE Spectrum)

Az inverz litográfia nevét onnan kapta, hogy az eljárás kiindulópontja nem a maszk, hanem az ábra, amit a szilíciumon látni szeretnénk. Ha a litográfiához hasonló elven működő vetítésből szeretnénk párhuzamot vonni, akkor az inverz litográfia annak a megfelelője, amikor a vetített kép az alap, és ehhez a teljes leképezési folyamat számítógépes modellezése alapján készítjük el a vetítőt, amely végül pont olyan képet ad, amilyet szeretnénk. Az Intel egyes inverz litográfiai elemeket (pl. optical proximity correction) már jelenleg is használ.

A technológiai fejlődés árnyoldala

A félvezetőipar számára egy következő fontos ugrás lesz vagy lehet a jelenleginél másfélszer nagyobb, 450 milliméteres átmérőjű szilíciumszeletek bevezetése. A nagyobb szeletek alacsonyabb fajlagos előállítási költséget tesznek lehetővé chipenként, azonban a váltáshoz szükség van a chipgyártásban használt berendezések lecserélésére, aminek tőkeigényét nem minden piaci szereplő tudja majd megfinanszírozni - egy korszerű chipgyár felszerelése jelenleg 3-4 milliárd dollár körül van és folyamatosan nő. A nagy félvezetőgyártók közül jelenleg csak Intel, a Samsung és a TSMC látszik eléggé tőkeerősnek ahhoz, hogy a 450 milliméteres átállást meglépje.

Moore törvényének életben tartása nem olcsó mulatság, a költségek azonban a félvezetőtermékek iránti keresletnél meredekebben emelkednek, így minden egyes technológiai generációváltásnál csökken azon cégek száma, melyek képesek mindezt megtérüléssel megfinanszírozni. Willoner szerint ebből a szempontból vízválasztó lehet a 450 milliméteres waferek bevezetése is. A technológiai fölény megtartása az iparág szereplői számára elengedhetetlen, azonban az ezzel járó fejlesztési versenyben folyamatosan csökken a chipgyártók száma. Ez viszont rossz hír a félvezetők előállításához használt berendezések szállítóinak, lényegében minden egyes generációváltással saját piacuk szűkül be.

^{A saját gyártással rendelkező chiptervezők az egyes félvezető generációknál; a 130-45 nm tényszerű, a 32nm és mögötte előrejelzés; Forrás: Intel}

Már 22 nanométeren

A jövőre érkező Westmere generációs chipek 32 nanométeresek, de az Intel már - elsőként a világon - a 22 nanométeres csíkszélességű eljárását is bemutatta. Az őszi Intel Developer Forumon Paul Otellini, a cég elnök-vezérigazgatója egy 22 nanométeres SRAM cellákat tartalmazó waferrel bizonyította, hogy a technológia milyen előrehaladott állapotban van. Egy évig még aktívan folyik az eljárás fejlesztése, míg a második évben már az üzemek felkészítése és a tesztelés zajlik. A 22 nanométeres csíkszélességű chipek előállítására alkalmas gyártástechnológia kereskedelmi termelésbe történő bevezetése az Intel ütemterve alapján 2011 második felében esedékes.

Bár már sokan beszélnek a CMOS-korszak végéről, Willoner szerint egyelőre nem érdemes temetni a jól bevált chipgyártási technológiákat és eljárásokat, szerinte látni fogunk 5-6 nanométeres csíkszélességű processzorokat is, amik a jelenleg bevált eljárásokkal vagy azok továbbfejlesztésével készülnek. A chipek, ahogy ma ismerjük őket, még egy évtizedig biztosan velünk maradnak.