Vor kurzem hat die von der Tsinghua-Universität vorgeschlagene SSMB-EUV-Lichtquellentechnologie großes öffentliches Interesse geweckt. Eine Behauptung besagt, dass China Beschleuniger zur Erzeugung von EUV-Lichtquellen bauen kann und verschiedene Frequenzen von Lichtquellen für verschiedene Chipprozesse wie 28 nm, 14 nm, 7 nm und 5 nm verwendet werden können. Anstatt sich auf die EUV-Lithographiemaschinen von ASML zu verlassen, besteht die Idee darin, „Lichtquellenfabriken“ zu nutzen, um die US-Blockade mit unerwartet innovativem Denken zu durchbrechen. Dieses Konzept sei „leicht zu verstehen“ und es scheint, als gäbe es Hoffnung auf fortschrittliche heimische Lithografiemaschinen.

Das Interesse der Öffentlichkeit an der komplexen Synchronisationsstrahlungslichtquelle SSMB-EUV wird im Wesentlichen durch den Wunsch angetrieben, die Technologieblockade der USA zu brechen und Tsinghuas Forschung zu industrialisieren und so zur Herstellung leistungsstarker heimischer Chips beizutragen.

Dieser Artikel konzentriert sich auf die Perspektive des Industrieingenieurwesens, um einige relevante technische Details der Chipherstellung und Lithographie vorzustellen. Außerdem werden die wissenschaftlichen Prinzipien hinter SSMB, EUV und Synchronisationsstrahlung erläutert. Nachdem wir ausreichende technische Details und wissenschaftliche Prinzipien verstanden haben, können wir interessante Konzepte wie die „Lichtquellenfabrik“ richtig bewerten.

Kernpunkte dieses Artikels:

1. SSMB-EUV-Lithographiemaschinen haben einen technologischen Hintergrund. China hat bereits tatsächlich in Forschung und Entwicklung investiert, und es handelt sich tatsächlich um eine Entwicklungsrichtung für zukünftige Lithografiemaschinen.

2. Bei der Analyse des Prozesses der Chipherstellung mit DUV- und EUV-Lithografiemaschinen zeigt sich, dass die Anforderungen an die Leistung von Lithografiemaschinen in der industriellen Produktion jenseits der Vorstellungskraft des Durchschnittsbürgers liegen.

3. Welche technischen Schwierigkeiten müssen SSMB-EUV-Lithographiemaschinen überwinden? Wir sollten nicht davon ausgehen, dass die Suche nach einer guten Richtung den Durchbruch in der Technologie der Lithographiemaschinen erleichtern wird.

I. Kenntnisse über die Chipherstellungsindustrie 

Um einen bestimmten Transistortyp herzustellen, führen wir vierwertiges Silizium ein, das mit einer kleinen Menge dreiwertigem Bor und fünfwertigem Phosphor dotiert ist, um einen PN-Übergang zu erzeugen, und fügen dann ein Metalloxid als Steuergate hinzu. Indem wir eine große Anzahl von Transistoren dicht auf einem Wafer anordnen und sie nach einem bestimmten Design verbinden, können wir einen Chip erstellen. Der kritischste Schritt bei der Chipherstellung ist die Waferverarbeitung, die in einer FAB-Fabrik stattfindet. Auf einem Wafer aus hochreinem Silizium werden nacheinander identische Bare-Chips (Dies) hergestellt. Zuvor muss der Siliziumwafer hergestellt werden, und anschließend werden die Dies geschnitten, verpackt, getestet und mit Stiften zusammengebaut. Der Schwierigkeitsgrad dieser Prozesse ist relativ gering.

Zuallererst ist es wichtig zu verstehen, dass die Chipproduktion in industriellen Anwendungen massiv ist, um die Kosten niedrig zu halten. Beispielsweise wird die Stückzahl des jüngsten beliebten Smartphone-Chips auf 10 Millionen Einheiten geschätzt. Aufgrund der gestiegenen Nachfrage stieg diese Menge auf 15-17 Millionen Einheiten und stieg weiter auf 20 Millionen Einheiten.

Wie können zig Millionen Chips in relativ kurzer Zeit hergestellt werden? Der Schlüssel liegt in der Fähigkeit, eine große Anzahl identischer Dies auf einem einzigen Wafer herzustellen. Am Beispiel eines 12-Zoll-Wafers (bezogen auf Zoll gibt es auch 8-Zoll- und 6-Zoll-Wafer) beträgt sein Durchmesser etwa 300 Millimeter bei einer Fläche von 70,659 Quadratmillimetern. Fortschrittliche Chips können eine beeindruckende Transistordichte von 100 Millionen Transistoren pro Quadratmillimeter erreichen. Ein einzelner Chip enthält Milliarden von Transistoren und führt komplexe Funktionen wie 5G-Basisband und mobiles SOC aus. Geht man davon aus, dass die Fläche eines Chips 140 Quadratmillimeter beträgt, kann ein Wafer etwa 500 Chips aufnehmen.

Der Begriff „Ausbeute“ ist bei der Chipherstellung von entscheidender Bedeutung. Einfach ausgedrückt: Wenn von diesen 500 Matrizen nach der Verarbeitung in der FAB-Fabrik 400 als funktionsfähig und qualifiziert befunden werden, beträgt die Ausbeute 80 %. Obwohl die Ausbeute bei der modernen Chipherstellung manchmal nicht sehr hoch ist, ist sie auch nicht zu niedrig, da sie sonst kommerziell unpraktisch wäre. Geht man von einer konservativen Schätzung von 50 % aus, sollte ein Wafer immer noch über 200 funktionsfähige Chips haben.

Die Produktionskapazität einer FAB-Fabrik wird im Allgemeinen daran gemessen, wie viele tausend Wafer sie pro Monat verarbeiten kann, wobei die Bandbreite zwischen 10,000 und 100,000 Wafern liegt. Wenn die Kapazität 10,000 Wafer pro Monat beträgt, mit 200 funktionsfähigen Chips pro Wafer, bedeutet dies, dass in einem Monat 2 Millionen Chips produziert werden, was zu über 20 Millionen Chips in einem Jahr führt.

Fortsetzung folgt...