ہم EUV لتھوگرافی مشین کے بغیر 5nm چپ کیسے بنا سکتے ہیں؟

ہوم پیج (-) کالمسٹ الیکٹرانکس کی بنیادی باتیں ہم EUV لتھوگرافی مشین کے بغیر 5nm چپ کیسے بنا سکتے ہیں؟

2024-07-01 3100

یہ سچ ہے کہ ڈیپ الٹرا وائلٹ (DUV) لیتھوگرافی مشینیں، جو 20 سال سے زیادہ عرصے سے ہیں، اب بھی استعمال میں ہیں اور آگے بڑھ رہی ہیں۔ کثیر پیٹرننگ تکنیکوں کے ساتھ مل کر وسرجن DUV لتھوگرافی کا استعمال 5nm چپس تیار کرنا مکمل طور پر ممکن بناتا ہے، اور یہاں تک کہ انتہائی لاگت کے بغیر کسی چیز کے منظرناموں میں ممکنہ طور پر 3nm۔

اگرچہ نظریاتی طور پر ممکن ہے اور جزوی طور پر 7nm نوڈ پر کچھ fabs کی توثیق کی جاتی ہے، اس نقطہ نظر کو بیک وقت سیدھ میں لانے کے لیے کئی نازک حالات کی ضرورت ہوتی ہے۔ ان میں سے کلید کثیر پیٹرننگ میں "اوورلے درستگی" ہے - متعدد نمائشوں کے درمیان پیٹرن کی قطعی سیدھ۔

مزید برآں، متعدد دیگر عمل کی تکنیکیں عمل میں آتی ہیں، جیسے کہ فیز شفٹ ماسک، ماڈل پر مبنی آپٹیکل پروکسیمٹی کریکشن، اینچ تکنیک جیسے سیلف الائنڈ کواڈرپل پیٹرننگ، اور یہاں تک کہ ابھرتی ہوئی ڈائریکٹڈ سیلف اسمبلی لتھوگرافی ٹیکنالوجیز۔ یہ نقطہ نظر صرف اعلی ریزولوشن لیتھوگرافی پر انحصار کیے بغیر 5nm چپس تیار کرنے کے امکانات پیش کرتے ہیں۔

بلاشبہ، اس طرح کے طریقوں کو اپنانے میں زیادہ لاگت آتی ہے، لہذا سیمی کنڈکٹر فیبس بڑے پیمانے پر اعلی درجے کی پراسیس چپس کو بڑے پیمانے پر پیدا کرنے کے لیے اس طرح کے انتہائی اقدامات کے استعمال سے گریز کرتے ہیں۔ سب کے بعد، مرکزی دھارے کے حل کا انتخاب عام طور پر مارکیٹ کے مقابلے کی بنیاد پر کیا جاتا ہے، اس بات کو یقینی بناتے ہوئے کہ صرف سب سے زیادہ تجارتی طور پر قابل عمل مینوفیکچرنگ کے طریقے ہی برقرار رہیں۔

آئیے کچھ بنیادی معلومات کے ساتھ شروع کرتے ہیں، لیکن اگر آپ کے پاس پہلے سے ہی پروسیس نوڈس کی منظم سمجھ ہے تو بلا جھجھک اس حصے کو چھوڑ دیں۔

کیا 5nm صرف الفاظ پر ایک کھیل ہے؟

یہ سمجھنے کے لیے کہ آیا وسرجن لیتھوگرافی ملٹی پیٹرننگ کے ساتھ مل کر 5nm حاصل کر سکتی ہے، ہمیں پہلے اس بات کی وضاحت کی ضرورت ہے کہ "5nm" سے کیا مراد ہے۔ حال ہی میں، اس موضوع پر نئے سرے سے بحث ہوئی ہے، اس دعوے کے ساتھ کہ ASML نے سیمی کنڈکٹر فیبس کی حکمت عملیوں کو بے نقاب کیا ہے۔

لائن کی چوڑائی کے موضوع پر غور کرنے سے پہلے، اس تناظر میں ٹرانزسٹر کے کردار اور لائن کی چوڑائی کی اہمیت کو سمجھنا بہت ضروری ہے۔

ٹرانزسٹر سرکٹس کی ترسیل اور کٹ آف کو کنٹرول کرنے کے لیے گیٹ کا استعمال کرتے ہیں: کنڈکشن '1' کی نمائندگی کرتا ہے، جبکہ کٹ آف '0' کی نمائندگی کرتا ہے، بائنری کمپیوٹیشن کو فعال کرتا ہے۔ گیٹ کی لمبائی (یا چینل کی لمبائی) براہ راست متاثر کرتی ہے کہ ٹرانزسٹر کے منبع اور نالی کے درمیان کرنٹ کتنی تیزی سے بہہ سکتا ہے۔ چھوٹے گیٹ کی لمبائی ٹرانزسٹر کی کارکردگی کو بڑھاتی ہے، جس سے کرنٹ کا تیز بہاؤ ہوتا ہے اور اس طرح چپ کی کارکردگی بہتر ہوتی ہے۔

شکل 1: ایک MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect Transistor) کے پلانر ڈھانچے کا اسکیمیٹک خاکہ۔

ماضی میں، ٹرانزسٹر گیٹ کی لمبائی کو لائن کی چوڑائی کے طور پر بیان کیا گیا تھا، پروسیس نوڈ کے ناموں کے ساتھ سیدھ میں لاتے ہوئے، جہاں لتھوگرافی، جمع، اینچنگ، اور بازی لائن کی چوڑائی کو کم کرنے کے مرکزی عمل تھے۔

تین جہتی ٹرانزسٹر ڈھانچے جیسے FinFETs اور Nanosheets کے ابھرنے کے ساتھ، سیمی کنڈکٹر انڈسٹری نے مساوی کارکردگی پر زور دینے پر توجہ مرکوز کر دی ہے۔ 14nm کا لیبل لگانے کے باوجود، ان ٹیکنالوجیز میں گیٹ کی لمبائی 14nm سے زیادہ ہے۔ مثال کے طور پر، Intel کے 14nm کے عمل میں گیٹ کی لمبائی 24nm ہے، جبکہ TSMC کے 7nm کے عمل میں گیٹ کی لمبائی 22nm ہے۔

دوسری طرف، اکیلے لائن کی چوڑائی ٹرانجسٹر کثافت کی پیمائش کے لیے خصوصیت کے پیرامیٹر کے طور پر کام نہیں کرتی ہے۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ چھوٹی لکیر کی چوڑائی کے باوجود، اگر گیٹوں کے درمیان فاصلہ زیادہ ہے تو، ٹرانجسٹروں کی تعداد محدود رہتی ہے جو فی یونٹ رقبہ پر سما سکتے ہیں۔ اجزاء کے چھوٹے پن کو درست طریقے سے ظاہر کرنے کے لیے، ایک اور اہم میٹرک پلے میں آتا ہے — پچ، جیسا کہ نیچے دی گئی تصویر میں دکھایا گیا ہے۔ مثال کے طور پر، جہاں پہلے 9 ٹرانزسٹر ایک یونٹ کے علاقے میں فٹ ہوتے ہیں، پچ کو کم کرنے سے 10 ٹرانزسٹروں کو ایڈجسٹ کیا جا سکتا ہے۔

شکل 2: لائن کی چوڑائی/گیٹ کی لمبائی، پچ، اور آدھی پچ کے درمیان تعلق۔

1990 کی دہائی میں، 0.35μm سے پہلے، پروسیس نوڈس، آدھی پچ (پچ کا نصف)، اور گیٹ کی لمبائی سبھی سیدھ میں تھیں۔ البتہ، ویچلن اس کے بعد نصف پچ، گیٹ کی لمبائی، اور نوڈس کے درمیان ابھرا۔ نوڈس، نصف پچ، اور گیٹ کی لمبائی کے تعلق اور ارتقاء کو مندرجہ ذیل چارٹ سے واضح طور پر دیکھا جا سکتا ہے۔

جدول 1: مختلف سالوں میں پروسیس نوڈس، ہاف پچ، اور گیٹ کی لمبائی کی خط و کتابت، یونٹس: nm

ابتدائی موضوع پر واپس آتے ہوئے، جب ہم 5nm کے بارے میں بات کرتے ہیں، تو ہم اصل میں اس کی اصل لائن چوڑائی کے بجائے اس کے عمل نوڈ کا حوالہ دے رہے ہیں۔

بہت سے لوگ یہ کہنا پسند کرتے ہیں کہ آج کل مختلف سیمی کنڈکٹر کمپنیاں جن نینو میٹر کی قدروں کا دعویٰ کرتی ہیں وہ محض مارکیٹنگ کی اصطلاحات ہیں۔ سختی سے بولیں، یہ بیس سال پہلے تمام پروسیس نوڈس کے لیے درست رہا ہے۔ دس سال پہلے، جب صنعت 14nm FinFET تین جہتی ڈھانچے کے دور میں داخل ہوئی، اس نے نوڈس، پچ، گیٹ کی لمبائی، اور لائن کی چوڑائی کے درمیان تعلق کو مکمل طور پر توڑ دیا۔

ایک متحد معیار کے بغیر، کمپنیاں قدرتی طور پر ان اصطلاحات کو تصورات کے ساتھ کھیلنے کے لیے استعمال کرتی ہیں۔ سام سنگ نے اپنے 14nm نوڈ کے ساتھ پیش قدمی کی، جس نے TSMC کو فوری طور پر اس کی پیروی کرنے کا اشارہ کیا، حالانکہ انہوں نے قدامت پسندانہ طور پر اسے 16nm کا لیبل لگایا تھا۔ صرف Intel، مور کے قانون کے خود ساختہ ثابت قدم پیروکار، ضد کے ساتھ 2021 تک لائن کی چوڑائی کے لیے روایتی نام سازی کے کنونشنز پر قائم رہے جب انہوں نے آخر کار حریفوں کے ساتھ صف بندی کرنے کے لیے اپنے نوڈ کے نام پر نظر ثانی کی۔

لیکن کیا اس میں کوئی مسئلہ ہے؟ اصل میں، کوئی مسئلہ نہیں ہے.

ٹرانزسٹر طویل عرصے سے پلانر سے تین جہتی ڈھانچے میں منتقل ہو چکے ہیں۔ اگر ہم لائن کی چوڑائی کے تصور کو ٹرانزسٹر کثافت (MTr/mm2، یعنی ملین ٹرانزسٹر فی مربع ملی میٹر) میں ترجمہ کرتے ہیں تو ہمیں معلوم ہوتا ہے کہ مور کا قانون غائب نہیں ہوا ہے۔ یہ ایک مختلف شکل میں کام کرتا رہتا ہے- فی یونٹ رقبہ پر ٹرانزسٹروں کی کثافت میں مسلسل اضافہ ہوا ہے۔ مور کے قانون نے اصل میں کہا تھا کہ "ہر چپ پر ٹرانجسٹروں کی تعداد ہر 18 ماہ میں دوگنی ہو جاتی ہے۔"

سیمی کنڈکٹر انڈسٹری میں ٹرانزسٹر کثافت کی جنگ

ٹرانجسٹرز کی مختلف خصوصیات متنوع اور پیچیدہ ہیں، ہر ایک مینوفیکچرر کے ڈیزائن کی مختلف تعریفیں ہیں۔ نتیجتاً، ایک ہی پراسیس ٹیکنالوجی کا استعمال کرتے ہوئے مختلف مینوفیکچررز کی پروڈکٹس کا مکمل موازنہ نہیں ہو سکتا۔

فی الحال، مینوفیکچرنگ کے عمل میں فرق کا موازنہ کرنے کا واحد بدیہی طریقہ مور کے قانون کے جوہر پر واپس جانا اور ٹرانزسٹر کثافت کا موازنہ کرنا ہے- یعنی، فی یونٹ رقبہ پر ٹرانزسٹروں کی تعداد۔

جدول 2: ٹرانزسٹر کثافت فی مربع ملی میٹر میجر ویفر فاؤنڈریز کے لیے مختلف نوڈس پر، فریق ثالث سے حاصل کردہ جزوی ڈیٹا

جدول میں موجود اعداد و شمار کے مطابق، 14nm نوڈ پر، Intel، TSMC، اور Samsung تقریباً 0.3 بلین ٹرانزسٹر فی مربع ملی میٹر حاصل کرتے ہیں۔

10nm سے شروع کرتے ہوئے، Intel نے اپنے 14nm+++ کو Intel 10 میں ری برانڈ کیا، نام کو اپ ڈیٹ کرتے ہوئے لیکن ٹرانزسٹر کی کثافت کو حریفوں میں سب سے کم کر دیا۔ سام سنگ نے اپنے 10nm کو 8nm نوڈ سے بہتر بنایا، جو تقریباً TSMC کی سطح سے مماثل ہے۔

2018 میں TSMC نے وسرجن لیتھوگرافی (7Ci) اور کواڈ پیٹرننگ کا استعمال کرتے ہوئے 1980nm پیداوار کا آغاز کیا۔ سام سنگ نے ایک سال بعد EUV لتھوگرافی کے ساتھ مقابلہ کیا لیکن ناواقفیت کی وجہ سے پیداوار کے مسائل کا سامنا کرنا پڑا، جس کی وجہ سے وہ سام سنگ فونز کے لیے اپنے Orion چپس کو ترک کرنے پر مجبور ہو گئے، اس کے بجائے Qualcomm چپس کو TSMC کی نسبت 30% کم قیمت پر استعمال کرنے کا انتخاب کیا، Qualcomm کو ایک بڑے کلائنٹ کے طور پر برقرار رکھا۔ دریں اثنا، انٹیل اب بھی 14nm+++ سے کارکردگی کو نچوڑ رہا تھا، جبکہ TSMC 7nm کے ساتھ غلبہ رکھتا ہے۔

TSMC کے DUV-based N7، N7P سے EUV-based N7+ اور N7 تک کے 6nm ارتقاء نے 0.91 سے بڑھ کر 1.16 بلین تک ٹرانزسٹر کثافت حاصل کی۔ سام سنگ 0.95 بلین تک پہنچ گیا، جبکہ انٹیل نے 1 میں صرف 2020 بلین ٹرانجسٹر کثافت حاصل کی۔

2020 میں، سام سنگ نے 5nm پیداوار کا اعلان کیا۔ ٹرانزسٹر کثافت میں 0.95 بلین سے 1.27 بلین تک معمولی اضافے کے ساتھ، اور ان کے بہتر 4nm ورژن نے 1.37 بلین ٹرانجسٹر حاصل کیے، TSMC کے ابتدائی 5nm سے 1.5 بلین میں کم ہے۔ اور N4P 1.8 بلین میں بہتر ہوا، جو 7nm سے کافی حد تک اپ گریڈ تھا۔ سام سنگ کو 3nm نوڈ پر اسی طرح کے چیلنجز کا سامنا کرنا پڑا۔

2021 میں، انٹیل نے اپنے نوڈس کا نام بدل دیا: 10nm انٹیل 7 بن گیا، 7nm انٹیل 4 بن گیا، اور مزید نوڈس کو Intel 3، Intel 20A، اور Intel 18A میں بہتر کیا گیا۔ سی ای او پیٹ گیلسنجر کے روڈ میپ کا مقصد پانچ سالوں میں تین نوڈس کو فتح کرنا تھا، حالانکہ Intel 7 نے پہلے ہی اپنے 10nm کا فائدہ اٹھایا ہے، اور Intel 4 اور Intel 3 نے اسی نوڈ کے بہتر ورژن کی نمائندگی کی ہے۔

موجودہ تفہیم کی بنیاد پر، Intel 18A کے ساتھ انٹیل کی پیشرفت میں کم از کم 2026 تک تاخیر کا امکان ہے۔جبکہ TSMC کی پہلی نسل 2nm 2025 کے آخر تک پیداوار شروع کر سکتی ہے۔ 19 کے اوائل میں ایپل کی A2025 چپ ممکنہ طور پر TSMC کی 2nm پیداوار کی شرحوں پر منحصر ہوگی، ان کی پہلی نسل 3nm A17 کی ابتدائی ریلیز کے بعد معمولی بہتری کے ساتھ۔ خاص طور پر، TSMC میں N4P اور N3B کثافت بالترتیب 1.8 بلین اور 1.9 بلین تھی، معمولی فوائد کے ساتھ۔

ایپل اس سال حکمت عملی کو تبدیل کر سکتا ہے، TSMC کو 3nm صلاحیت کی گہرائی میں تلاش کرنے پر زور دے گا۔ A18، N3P کو اپناتے ہوئے، A17 کے مقابلے میں 1.9 بلین سے 2.8 بلین ٹرانجسٹروں کی کثافت میں اضافہ کی نشاندہی کرتا ہے، جو ابھی بھی 3nm ہے، جس میں حریف کی کثافت 1.8 بلین سے کم ہے اور چھوٹے بیچوں میں کم پیداوار ہے۔

ایک قابل ذکر رجحان مور کے قانون میں 18 سے 24 ماہ تک توسیع ہے، جو 30nm کے بعد 7 ماہ تک سست ہو گیا، 7 میں 2018nm پیداوار کے ساتھ، 5 میں 2020nm، 3 میں 2023nm، اور 2 میں متوقع 2025nm، ہر دو تقریباً تین سال بعد ترقی کر رہا ہے۔ . تکنیکی طور پر، 1.4nm اس رفتار کو برقرار رکھ سکتا ہے، لیکن 1nm سے آگے، نوڈ کی ترقی 40 ماہ سے زیادہ لمبی ہو سکتی ہے، لائن وڈتھ کو کم کرتے ہوئے ٹرانزسٹر کی گنتی کو مثبت طور پر متاثر کرنا۔

اگلے 20 سالوں میں، چپ ٹرانزسٹروں کی تعداد میں تیزی سے اضافہ جاری رہے گا، جو ممکنہ طور پر سنگل چپ پاور پر مور کے قانون کے اصل تخمینوں کو پیچھے چھوڑتا ہے، جس کی مثال TSMC کی اگلی دہائی کے اندر GPU پر ٹریلین ٹرانزسٹروں کی پیشن گوئی سے ملتی ہے۔ مستقبل کی پیشرفت صرف عمل میں اضافہ پر انحصار نہیں کرے گی بلکہ آپٹمائزڈ 3D ڈھانچے، نئے 2D مواد، اور جدید پیکیجنگ تکنیکوں پر بھی مسلسل انحصار کرے گی۔ اضافے کا باعث ٹرانجسٹر مؤثر طریقے سے شمار کرتا ہے.

بڑے پیمانے پر پیداوار اور پیداوار کی شرح ایک گرے ایریا بن چکی ہے۔

جدول 3: ٹیکنالوجی روڈ میپ کے مطابق بڑے ویفر فیبس کی پیداوار کی ٹائم لائن 32/28nm اور 14nm کے درمیان ہوتی ہے، جس میں 22nm اضافی نوڈ ہوتا ہے۔

ماضی میں، انٹیل، سیمسنگ، اور TSMC کے درمیان سخت مقابلے میں بڑے پیمانے پر پیداوار کرنے والا پہلا ہونا ایک اہم فائدہ تھا۔ جو بھی بڑے پیمانے پر پیداوار حاصل کر سکتا تھا اس نے پہلے ایک اہم برتری حاصل کی۔

تاہم، آج، اس میں بہت بڑا تفاوت ہے کہ ہر کمپنی اپنے پراسیس نوڈس کی وضاحت کیسے کرتی ہے۔ مثال کے طور پر، جب کہ سبھی 5nm پر ہونے کا دعویٰ کرتے ہیں، ٹرانزسٹر کی کثافت کافی حد تک مختلف ہو سکتی ہے۔ اس نقطہ نظر سے، Intel TSMC کے لیے ایک معمولی خطرہ ہے، جبکہ سام سنگ بڑی حد تک مسابقتی دوڑ سے باہر ہو گیا ہے۔

سام سنگ کی حکمت عملی میں پیداوار کی شرحوں میں ہیرا پھیری شامل ہے۔ ایک نئے نوڈ پر پیداوار کے لائق پیداوار کیا ہے وہ سب سے مبہم پہلو ہے۔ TSMC کے نقطہ نظر کی پیروی کرتے ہوئے، حقیقی پیداوار وہ ہوتی ہے جب بیرونی گاہک آرڈر دیتے ہیں اور کامیابی کے ساتھ اپنی مصنوعات کو موجودہ پیداوار کی سطحوں پر وصول کرتے ہیں- ایک تصور جسے تجارتی پیداوار کہا جاتا ہے۔

سام سنگ میں، ہر نئے نوڈ کے ابتدائی گاہک عام طور پر اندرونی ہوتے ہیں، بڑے پیمانے پر پیداوار کا اعلان کرتے ہوئے خطرے کی پیداوار کم پیداوار والے مراحل سے شروع ہوتی ہے۔

ترقی کے دوران سنگل ہندسوں کی پیداوار کی شرحوں پر مبنی بڑے پیمانے پر پیداوار کا اعلان خالصتاً تشہیراتی ہے اور اس کی کوئی خاص اہمیت نہیں ہے۔ ایسے معاملات میں جہاں پیداوار کی شرح ناکافی ہوتی ہے، گاہک عام طور پر ناقص ویفرز کی قیمت برداشت کرتے ہیں۔ مساوی کثافت کو دیکھتے ہوئے، صارفین ترجیحی طور پر سب سے زیادہ پیداوار کی شرح پیش کرنے والے فیب کے ساتھ آرڈر دیتے ہیں۔ ایسے حالات میں جہاں کثافت اور پیداوار دونوں کی شرحیں پیچھے رہ جاتی ہیں، صرف کم کردہ معاہدے کی فیس چھٹپٹ صارفین کو اپنی طرف متوجہ کر سکتی ہے، پھر بھی یہ طریقہ ویفر فیب کے لیے کوئی منافع پیدا کرنے میں ناکام رہتا ہے۔

یہ نوٹ کرنا ضروری ہے کہ مینوفیکچررز بعض اوقات پیداوار کی شرح کو 60% یا اس سے بھی 80% تک ظاہر کرتے ہیں، لیکن یہ اعداد و شمار اکثر کان کنی رگوں کے لیے ASICs جیسے سادہ چپس سے متعلق ہوتے ہیں۔ اس کے برعکس، پیچیدہ چپس جیسے موبائل ایپلیکیشن پروسیسرز (APs) کے لیے پیداوار کی شرح 50% سے کم ہو سکتی ہے، اور GPUs جیسے بڑے ایریا چپس کے لیے، یہ صرف 20% سے زیادہ ہو سکتی ہے۔

یہاں تک کہ اسی 7nm عمل کے ساتھ، پیداوار کی شرح مصنوعات کے لحاظ سے نمایاں طور پر مختلف ہو سکتی ہے۔ مینوفیکچررز اپنے بہترین اعداد و شمار کو نمایاں کرتے ہیں جبکہ
کم سازگار ڈیٹا روکنا، ایک عام صنعت کی مشق۔

ویفر فیبس پر بڑے پیمانے پر پیداوار اور پیداوار کی شرح کا وقت ہیرا پھیری کے لیے تیار ایک گرے ایریا ہے۔ یہ موازنہ سادہ پروسیس نوڈ مساوات سے بالاتر ہے اور اس میں ٹرانزسٹر کثافت فی یونٹ رقبہ اور تجارتی کسٹمر کے آرڈرز کو محفوظ بنانے کے لیے درکار حقیقی وقت اور پیداوار کی شرحیں شامل ہیں—یہ حقیقی تجارتی پیداوار کی وضاحت کرتا ہے۔

2020 میں، سام سنگ نے 5nm چپس کی بڑے پیمانے پر پیداوار کا اعلان کیا، جو بظاہر اپنے حریفوں کو پیچھے چھوڑتے ہیں۔ تاہم، ٹرانزسٹر کی کثافت اور پیداوار کی شرح کا موازنہ کرنے سے بالکل مختلف نتیجہ سامنے آتا ہے۔

ہم EUV کے بغیر 5nm کیسے حاصل کر سکتے ہیں؟

پچھلے حصوں میں، ہم نے ماضی اور حال میں 5nm کے تصورات پر تبادلہ خیال کیا۔ سیدھے الفاظ میں، 20 سال پہلے، 5nm کا حوالہ دیتے ہوئے ٹرانزسٹروں کی لائن وڈتھ اور گیٹ کی لمبائی تھی۔ تاہم، آج، 5nm من گھڑت عمل میں ایک علامتی نوڈ کی نمائندگی کرتا ہے۔ ترقی کا صحیح پیمانہ صرف اس علامت کے بجائے ٹرانزسٹر کی کثافت فی یونٹ رقبہ میں ہے۔

اگلا، ہم بات چیت کی ایک سیریز کے ذریعے وضاحت کریں گے کہ EUV لتھوگرافی کے بغیر نام نہاد "5nm" اور "3nm" کیسے حاصل کیا جائے۔ ڈاکٹر لن بنجیان کا لیکچر "آپٹیکل مائیکرو لیتھوگرافی ICs ایک ملین گنا سکڑتا ہے" اس موضوع پر تفصیلی بصیرت فراہم کرتا ہے۔ ہم ایک بنیادی آپٹیکل ریزولوشن فارمولے کے ساتھ شروع کریں گے (اشارہ: کوئی جدید ریاضی کی ضرورت نہیں، سمجھنے کے لیے پڑھتے رہیں):

آدھی پچ = k1λ / sinθ.

نصف پچ: جیسا کہ مضمون کے شکل 2 میں دکھایا گیا ہے، اس سے مراد پچ کا نصف حصہ ہے، جو لائن وڈتھ/گیٹ کی لمبائی کے علاوہ لائنوں کے درمیان وقفہ ہے، جس کو 1/2 سے ضرب کیا گیا ہے۔

k1: عمل سے متعلق ایک گتانک، ہاف پچ کو کم کرنے کے لیے اہم ہے، جو کہ تمام سیمی کنڈکٹر فیب لتھوگرافی انجینئرز کی بنیادی توجہ اور ہماری بحث کا مرکز ہے۔

λ: لتھوگرافی میں استعمال ہونے والے روشنی کے منبع کی طول موج، جو کہ G-line کے لیے 436nm سے کم ہو کر EUV کے لیے 13.5nm ہو گئی ہے، جس کا مقصد لتھوگرافی کے سازوسامان کے مینوفیکچررز نے حاصل کیا ہے۔

sinθ: اس زاویے سے متعلق جس پر لینس روشنی کو امیجنگ جہاز پر مرکوز کرتا ہے، بنیادی طور پر خود لینس کے ذریعے طے کیا جاتا ہے، یہ بھی لتھوگرافی کے آلات بنانے والوں کے لیے ایک مقصد ہے۔

تاہم، چونکہ مختلف ذرائع ابلاغ میں روشنی کی طول موج میں تبدیلی آتی ہے، جب اس بات پر غور کیا جائے کہ ریزولوشن کو کیسے بڑھایا جائے، تو عینک اور ویفر کے درمیان میڈیم کے ریفریکٹیو انڈیکس (n) کو بھی مدنظر رکھنا چاہیے۔ اس طرح فارمولا بن جاتا ہے۔ آدھی پچ = k1λ / (n sinθ) (نوٹ: n sinθ لتھوگرافی ٹول کا عددی یپرچر (NA) ہے)۔

شکل 3: ایک لینس سسٹم کے ذریعے روشنی کی توجہ مرکوز کرنے اور امیجنگ کا اسکیمیٹک ڈایاگرام، جہاں n میڈیم کے ریفریکٹیو انڈیکس کی نمائندگی کرتا ہے، اور θ لینس کے فوکس کرنے والے زاویے کی نمائندگی کرتا ہے۔

مثال کے طور پر 193nm وسرجن لیتھوگرافی مشین کا استعمال کرتے ہوئے، k1 کی قدر 0.28 کے ساتھ، پانی کا ایک ریفریکٹیو انڈیکس (n) 1.44، اور sinθ بطور 0.93، نصف پچ کا حساب (0.28 × 193) / (1.44 × 0.93) = 54.04 / 1.3392 ≈ 40nm ہے، جو 40nm کی ریزولوشن کو ظاہر کرتا ہے.

لہذا، لتھوگرافی مشینوں کی ریزولوشن کو بڑھانے کے لیے، فارمولے میں متغیرات میں ڈینومینیٹر کو بڑھا کر یا عدد کو کم کر کے ایڈجسٹمنٹ کی جا سکتی ہے، چار امکانات کی طرف لے کر جاتا ہے: sinθ کو بہتر بنانے کے لیے فوکس کرنے والے زاویے کو بڑھانا، میڈیم کے ریفریکٹیو انڈیکس (n) کو بڑھانا، k1 کوفیشینٹ کو کم کرنا، یا ایک مختصر کے ساتھ روشنی کے منبع کو استعمال کرنا۔ طول موج (λ)۔ ان اختیارات میں سے، k1 عدد کو کم کرنا اس وقت سیمی کنڈکٹر کے ذریعے حاصل کی جانے والی سب سے اہم کامیابیوں میں سے ایک ہے۔ کپڑا اور توجہ مرکوز کی وارنٹ.

بڑھتی ہوئی sinθ: پیچیدہ اور بڑے لینز تیار کرنا

sinθ کا تعین اس زاویے سے ہوتا ہے جس پر لینس روشنی کو فوکس کرتا ہے، اور ایک اعلی sinθ اعلی ریزولیوشن سے مطابقت رکھتا ہے۔ لیتھوگرافی مشینوں میں استعمال ہونے والے لینز مختلف سائز، موٹائی اور گھماؤ میں آتے ہیں۔ انہیں احتیاط سے اسٹیک کیا جاتا ہے اور عین حساب کے بعد جمع کیا جاتا ہے، اکثر کرین کی تنصیب کی ضرورت ہوتی ہے۔ فی الحال، لیتھوگرافی مشینوں کے لینس سسٹمز کی لاگت تقریباً 60 ملین ڈالر ہے، جس میں EUV لینس سسٹمز $100 ملین سے زیادہ ہیں۔

شکل 4: 0.9NA لیتھوگرافی مشین لینس سسٹم، جہاں NA (عددی اپرچر) = n × sin θ

اسے اتنا پیچیدہ بنانے کا مقصد sinθ کو جتنا ممکن ہو سکے نظریاتی زیادہ سے زیادہ 1 کے قریب دھکیلنا ہے۔

فی الحال، اے آر ایف لیتھوگرافی مشین لینسز 0.93 کی sinθ قدر حاصل کر سکتے ہیں، جبکہ EUV لتھوگرافی مشینیں صرف 0.33 تک پہنچ سکتی ہیں۔ Hyper-NA EUV کا ہدف 0.75 ہے، جو ASML کا حتمی ہدف بھی ہے۔ اگر مستقبل میں کوئی نئی تکنیکی پیش رفت سامنے نہیں آتی ہے، تو یہ ممکنہ طور پر سیمی کنڈکٹر چپس کے لیے فزیکل لتھوگرافی ٹیکنالوجی کے خاتمے کا نشان بنا سکتا ہے۔

مختصر طول موج: مواد اور لینس کی عین مطابق ملاپ۔

طول موج کو مختصر کرنا بنیادی طور پر روشنی کے منبع کو تبدیل کرنے پر انحصار کرتا ہے، جیسے کہ g-line، i-line UV (الٹرا وائلٹ)، KrF، ArF DUV (گہرے بالائے بنفشی)، اور فی الحال، EUV (انتہائی الٹرا وایلیٹ) 13.5nm کی طول موج پر۔ طول موج کا مزید مختصر ہونا ایکس رے کی طرف جاتا ہے۔

روشنی کے منبع کو تبدیل کرنا مطلوبہ طول موج کو حاصل کرنے کی اجازت دیتا ہے، لیکن عینک کے مواد کو بھی اسی مناسبت سے ایڈجسٹ کیا جانا چاہیے، طول موج میں کمی کے ساتھ کم مواد کے اختیارات دستیاب ہوتے ہیں۔

ایک اور حل میں لینس اسمبلی میں آئینے کو شامل کرنا شامل ہے (نیچے دیے گئے خاکے میں پیلا حصہ)۔ اس طرح کے لینس اسمبلیوں کو ریفریکٹیو-ریفریکٹیو آپٹیکل سسٹم کے نام سے جانا جاتا ہے۔ روشنی کی طول موج سے قطع نظر، آئینے کی سطحوں پر واقعات اور عکاسی کے زاویے برابر ہیں۔ عینکوں کو آئینے کے ساتھ تبدیل کرنے سے، روشنی کی لہر بینڈوڈتھ کے لیے رواداری کو بڑھایا جا سکتا ہے۔

شکل 5: 193nm ArF لتھوگرافی مشینوں میں استعمال ہونے والا لینس سسٹم، لینس اسمبلیوں کے درمیان آئینے کو شامل کرتا ہے جیسا کہ خاکہ میں دکھایا گیا ہے۔

جب EUV کی 13.5nm طول موج کی بات آتی ہے تو، پورے لینس سسٹم میں آئینے لگتے ہیں، جسے مکمل عکاس نظری نظام کے نام سے جانا جاتا ہے۔ اس نظام کو اس لیے ڈیزائن کیا جانا چاہیے کہ روشنی کی شعاعوں کو آئینے میں رکاوٹ پیدا کیے بغیر گزرنے دیں۔ مزید برآں، لینس ٹرانسمیشن زاویوں میں غلطیوں کی برداشت کے مقابلے میں، آئینے کی عکاسی کرنے والے زاویوں کو بہت زیادہ درستگی کی ضرورت ہوتی ہے۔

روشنی کے منبع کو تبدیل کرنا نہ صرف لینس کے مواد کو متاثر کرتا ہے بلکہ اس میں فوٹو ریزسٹ کے لیے مواد بھی شامل ہوتا ہے، جس میں کیمیائی خصوصیات، شفافیت، فوٹو حساسیت اور دیگر خصوصیات شامل ہوتی ہیں۔ یہ ایک اہم اقدام ہے، جس میں مینوفیکچرنگ کے عمل میں مختلف پرتوں کو حل کرنے کے لیے متعدد مواد اور فارمولیشنز کی ضرورت ہوتی ہے۔ ان میں سے، لاگت سے موثر مینوفیکچرنگ کے لیے فوٹو حساسیت بہت اہم ہے، کیونکہ فی چپ چند سیکنڈ زیادہ نمائش کا وقت بھی ناقابل برداشت قیمت سمجھا جاتا ہے۔

ریفریکٹیو انڈیکس میں اضافہ ( n ): وسرجن لتھوگرافی ٹیکنالوجی

ریزولوشن کو بڑھانے کی جستجو میں، ایک اور نقطہ نظر میں لینس اور ویفر کے درمیان میڈیم کو ایڈجسٹ کرنا شامل ہے۔ TSMC کے ڈپٹی ڈائریکٹر ریسرچ، لن بینجیان کی تجویز کردہ وسرجن لیتھوگرافی تکنیک، ہوا سے آنے والے میڈیم کی جگہ لے لیتی ہے، جس کا ریفریکٹیو انڈیکس 1 کے قریب ہوتا ہے، پانی سے، جس کا ریفریکٹیو انڈیکس 1.44 ہوتا ہے۔ یہ مؤثر طریقے سے مساوی طول موج کو 193nm سے تقریباً 134nm تک کم کر دیتا ہے، جس کو میڈیم کے اضطراری اشاریہ سے پیمانہ کیا جاتا ہے۔

شکل 6: خشک لتھوگرافی کے نظام اور وسرجن لتھوگرافی کے نظام کے درمیان فرق

وسرجن لیتھوگرافی ٹکنالوجی سیمی کنڈکٹر کے عمل کو صرف عینک اور ویفر کے درمیان پانی متعارف کروا کر ایک ہی طول موج اور ماسک کا استعمال جاری رکھنے کی اجازت دیتی ہے۔ نظریہ سیدھا ہے، لیکن چیلنج عملی نفاذ میں مضمر ہے۔ مثال کے طور پر، وسرجن سسٹمز میں، DI پانی (deionized water) میں ہوا کے بلبلے بن سکتے ہیں، جنہیں مکمل طور پر ہٹا دینا چاہیے۔ مزید برآں، پانی کو تیزی سے اور یکساں طور پر بہنا چاہیے تاکہ تقسیم کو یقینی بنایا جا سکے اور امیجنگ کے معیار کو برقرار رکھا جا سکے۔

جیسا کہ ہم نے سیکھا ہے، ASML کی وسرجن لیتھوگرافی مشین، الفا ٹول نے خاص طور پر TSMC کی نانکے سہولت میں لن بینجیان کی ٹیم کے ساتھ دو سال سے زائد عرصے کے دوران 7-8 تبدیلیاں کیں۔ الفا مشین کو مکمل کرنے کے بعد بھی، بیٹا ورژن کو لاتعداد ویفرز پر کارروائی کرنے کے لیے ویفر فیب میں وسیع افرادی قوت کی ضرورت تھی، ابتدائی نقائص کو ہزاروں سے کم کر کے سینکڑوں یا دسیوں تک اور بالآخر صفر تک پہنچایا جاتا ہے۔ یہ عمل مشکل اور مشکل تھا۔

k1 کو کم کرنا: ریزولوشن انہانسمنٹ ٹیکنیکس (RET)۔

ریزولوشن کو بہتر بنانے کا حتمی طریقہ k1 کی قدر کو کم کرنا ہے، جو کہ سیمی کنڈکٹر فیبس میں لیتھوگرافی پروسیس انجینئرز کے لیے بہت اہم ہے، خاص طور پر DUV (Deep بالائے بنفشیلتھوگرافی

حل کرنے کا پہلا چیلنج "وائبریشن کی روک تھام" ہے۔فوٹو گرافی میں تصویری استحکام کے مترادف ہے، جہاں نمائش کے دوران ویفر اور ماسک کے درمیان نسبتاً کمپن کو کم کرنے کی کوشش کی جاتی ہے۔ یہ زیادہ درست نمائش کے نمونوں کو یقینی بناتا ہے اور کمپن کی وجہ سے ضائع ہونے والی ریزولوشن کو بحال کرتا ہے۔ دوسرا چیلنج "غیر مطلوبہ عکاسیوں کو کم سے کم کرنا" ہے۔ نمائش کے دوران ویفر کی سطح سے غیر ضروری عکاسی کو ختم کرنے کا مقصد۔ ان پیرامیٹرز میں بہتری نے دکھایا ہے کہ k1 کو تقریباً 0.65 تک کنٹرول کیا جا سکتا ہے۔

ریزولوشن کو مزید بڑھانے کے لیے، دوہری بیم امیجنگ تکنیکوں کو استعمال کیا جاتا ہے، بشمول آف ایکسس الیومینیشن اور فیز شفٹنگ ماسک۔ آف ایکسس الیومینیشن روشنی کے واقعات کے زاویہ کو ایڈجسٹ کرتی ہے، جس سے ترچھی روشنی ماسک میں داخل ہوتی ہے۔ ان زاویوں کو ایڈجسٹ کرنے سے، ان دو بیموں کے درمیان مداخلت ریزولوشن کو بڑھاتی ہے اور فیلڈ کی گہرائی کو بڑھاتی ہے۔ فیز شفٹنگ ماسک ملحقہ شفاف علاقوں سے گزرنے والی روشنی کے درمیان 180 ڈگری فیز فرق کو متعارف کرانے کے لیے ماسک میں ترمیم کرتے ہیں۔ دونوں نقطہ نظر انفرادی طور پر k1 کی قدر کو نصف کر سکتے ہیں، لیکن وہ دوہری بیم امیجنگ کے تصور کے تحت آتے ہیں اور ایک ساتھ استعمال نہیں کیے جا سکتے۔ یہ طریقے عام طور پر k1 کو تقریباً 0.28 تک کم کر سکتے ہیں۔

K1 کی مزید کمی میں متعدد ماسک کا استعمال شامل ہے، جسے ایک سے زیادہ پیٹرننگ کہا جاتا ہے۔، ایک تکنیک جہاں پیچیدہ پیٹرن کو دو یا زیادہ ماسک کے درمیان ڈھیلے پیٹرن کے ساتھ تقسیم کیا جاتا ہے، ویفر پر باری باری نمائش (جیسا کہ شکل 7 میں دکھایا گیا ہے)۔

شکل 7: 28nm لیتھوگرافی مشین میں استعمال ہونے والے ماسک کا اسکیمیٹک خاکہ۔ روشنی سفید یپرچرز سے گزرتی ہے، پیلے رنگ کے نقطوں کو ویفر پر فوٹوریزسٹ پر پیش کرتی ہے۔ الگ الگ نمائش کے لیے دو ماسک استعمال کرنے سے، ریزولیوشن میں اضافہ ہوتا ہے۔

تاہم، نمائش کے اوقات کو دوگنا کرنے کے نتیجے میں ویفر فی گھنٹہ (WPH) آؤٹ پٹ کی شرح نصف رہ جاتی ہے، یہ فرض کرتے ہوئے کہ یہ کوئی تبدیلی نہیں ہے۔ متعدد نمائشیں بھی پیداوار کی شرح کو کم کرتی ہیں۔ جب کم پیداوار کے ساتھ مل کر، یہ سیمی کنڈکٹر انڈسٹری کے لیے ناقابل برداشت بوجھ پیدا کرتا ہے، جو لاگت کی کارکردگی کو سب سے زیادہ اہمیت دیتا ہے۔ نمائش کے اوقات میں اضافہ لامحالہ کم پیداوار کا باعث بنتا ہے، جس سے پیداوار کی شرحیں انجینئرز کے لیے خود کو بچانے کا واحد طریقہ بن جاتی ہیں۔

وسرجن لیتھوگرافی مشینوں پر، آپٹیکل پروکسیمٹی کریکشن (OPC) اور روشنی کے ذرائع اور ماسک کی مشترکہ اصلاح جیسی تکنیکوں کا استعمال k1 کی قدروں کو 0.2 تک دھکیل سکتا ہے، جس سے 28nm کا ریزولوشن حاصل ہوتا ہے۔ ڈبل ایکسپوژر کے ساتھ، k1 کو ابتدائی 0.28 سے 0.14 تک کم کیا جا سکتا ہے، 20nm کی ریزولوشن حاصل کر کے۔ چوگنی نمائش k1 کو 0.07 تک مزید کم کر سکتی ہے، تقریباً 10nm کی ریزولوشن حاصل کر کے، یہاں تک کہ EUV لیتھوگرافی مشینوں کی 11.5nm ریزولوشن کو بھی پیچھے چھوڑ سکتی ہے۔ یہ وسرجن لتھوگرافی کی نظریاتی بنیاد بناتا ہے۔ ایک سے زیادہ نمائش 7nm، 5nm، اور یہاں تک کہ 3nm نوڈس کے حصول میں نقطہ نظر۔

جدول 4: 193nm وسرجن لتھوگرافی مشینوں کے لیے مختلف ریزولوشن بڑھانے والی تکنیکوں کا استعمال کرتے ہوئے نظریاتی قابل حصول ریزولوشنز

اگرچہ نظریہ آسان لگتا ہے، لیکن اس کا عملی اطلاق آسان سے بہت دور ہے، خاص طور پر خود سے منسلک متعدد پیٹرننگ (SAMP) کی تنقیدی ٹیکنالوجی کے ساتھ، جو k1 اقدار میں نمایاں کمی کی اجازت دیتا ہے۔ اس ٹیکنالوجی کی کلید لتھوگرافی مشینوں کی اوورلے درستگی میں مضمر ہے، جو چپس پر تہوں کے درمیان صف بندی کی درستگی کا تعین کرتی ہے اور اس طرح متعدد نمائشوں کی پیداوار کو متاثر کرتی ہے۔

اوورلے کی درستگی کو بہتر بنانے کا ایک طریقہ اعلیٰ حاصل کرنا ہے۔ صحت سے متعلق سامان، جیسے 2100i DUV لتھوگرافی مشین۔ مزید برآں، ہر سیمی کنڈکٹر فیب کی اپنی منفرد تکنیکیں ہوتی ہیں۔ فی الحال، TSMC دنیا بھر میں واحد کمپنی ہے جو لتھوگرافی مشین کی کارکردگی کو چھوڑ کر، ایک سے زیادہ مشین اوورلے (MMO) کا استعمال کرتے ہوئے تقریباً واحد مشین اوورلے (DCO) حاصل کر سکتی ہے۔ حوالہ کے لیے اعداد و شمار کے دو ٹکڑے ہیں: TSMC ایک MMO:2.5nm 1980ci لتھوگرافی مشین کا استعمال کرتی ہے جس میں چوگنی نمائش کی پیداوار 80% سے زیادہ ہے، جب کہ MMO:1.5nm 2050i اور چوگنی نمائش والی مین لینڈ فیکٹری نے دو سال کی مسلسل کوششوں کے بعد %50 کی مسلسل پیداوار حاصل کی ہے۔

پچھلے سال، بیلجیئم میں انٹر یونیورسٹی مائیکرو الیکٹرانکس سینٹر (IMEC) نے آکٹوپل ایکسپوزر کے ساتھ وسرجن لیتھوگرافی مشینوں کا استعمال کرتے ہوئے 5nm حاصل کرنے کے لیے ایک تکنیکی اسکیم جاری کی۔

دیگر تکنیکی راستوں میں، IMEC اور Mentor نے مشترکہ طور پر Self-Aligned Lithography and Etching (SALELE) ٹیکنالوجی تیار کی ہے، جس میں اضافی فالتو دھات اور کپیسیٹرز کی ضرورت نہیں ہے۔ انہوں نے ایک لتھوگرافی کا طریقہ بھی دریافت کیا جو مادی تحقیق پر توجہ مرکوز کرتے ہوئے روایتی ماسک کے استعمال کو نظرانداز کرتا ہے، پہلے پولیمر کی ترکیب کرتا ہے اور پھر "ڈائریکٹڈ سیلف اسمبلی" (DSA) حاصل کرنے کے لیے ہیٹنگ کے ذریعے مخصوص کیمیائی تعاملات کی حوصلہ افزائی کرتا ہے، اور ڈھانچے کو اصل سائز کا ایک چوتھائی بناتا ہے۔

مزید برآں، EUV کے آسانی سے جذب ہونے اور پانی میں ڈوبنے کے ساتھ DUV جیسے ریفریکٹیو انڈیکس (n ویلیو) کو بڑھانے سے قاصر ہونے کی وجہ سے، ASML sinθ کو بڑھانے کے لیے High-NA اور Hyper-NA کے ذریعے بہتر ہو رہا ہے، لیکن یہ راستہ بالآخر اپنی حدوں تک پہنچ جائے گا۔ لہذا، سیمی کنڈکٹر مینوفیکچرنگ کے عمل میں، ایک سے زیادہ نمائشوں کے ذریعے k1 کو نمایاں طور پر کم کرنا ایک اہم ٹیکنالوجی بنی ہوئی ہے، قطع نظر اس کے کہ یہ DUV ہے یا EUV۔ یہ جمع کی بڑھتی ہوئی اہمیت کو بھی اجاگر کرتا ہے۔ گھبراہٹ سامان. AMAT، LAM، اور TEL بھرپور طریقے سے متعلقہ ٹیکنالوجیز تیار کر رہے ہیں، جن میں زیادہ پیچیدہ دالیں، بہتر کنٹرول، اور اعلیٰ پاور ٹولز، خاص طور پر جوہری تہہ جمع کرنے اور اینچنگ ٹیکنالوجی شامل ہیں، جو روایتی عمل کے راستوں کو تبدیل کر دے گی۔

مضمون کے دوسرے حصے میں ٹرانزسٹر کثافت ٹیبل پر واپس جانا، چاہے مستقبل کے نوڈز پر "3nm" یا "N+4" کا لیبل لگایا گیا ہو، فوکس نہیں ہے۔ اہم بات یہ ہے کہ آیا چپ ٹرانجسٹر کی کثافت کو نمایاں طور پر بڑھایا جا سکتا ہے۔

پچھلا

IGBT: پاور الیکٹرانک آلات کا کلیدی جزو

اگلے

IGBT ڈسکریٹ ڈیوائسز: پاور کنٹرول کے بنیادی اجزاء