Экстрэмальная ультрафіялетавая (EUV) фоталітаграфія: тэхналогія, якая ляжыць у аснове будучыні чыпаў

Калі абмяркоўваецца будучыня чыпаў, самых магутных мабільных тэлефонаў ці штучнага інтэлекту, заўсёды ўзнікае адзін тэрмін: экстрэмальная ультрафіялетавая фоталітаграфія, таксама вядомая як EUV-літаграфіяГэтая тэхналогія стала адначасова і вузкім месцам, і рухаючай сілай развіцця самых перадавых паўправаднікоў у свеце.

Нягледзячы на ​​тое, што канцэпцыя гучыць вельмі тэхнічна, разуменне таго, што такое літаграфія ў ультрафіялетавым узоры (EUV), як яна працуе, хто ёю кіруе і які ўплыў яна аказвае на геапалітыку і сусветную эканоміку, з'яўляецца ключом да разумення таго, чаму існуе дэфіцыт чыпаў, чаму некаторыя краіны змагаюцца за гэтыя машыны і чаму такія кампаніі, як... ASML, TSMC, Samsung або Intel Яны сталі стратэгічнымі ў глабальным маштабе.

Што такое экстрэмальная ультрафіялетавая (EUV) фоталітаграфія?

У паўправадніковай прамысловасці EUV-літаграфія адносіцца да тэхніка фоталітаграфіі, якая выкарыстоўвае экстрэмальнае ультрафіялетавае выпраменьванне з даўжынёй хвалі 13,5 нанаметраў, гэта значыць у вобласці так званых мяккіх рэнтгенаўскіх прамянёў у межах электрамагнітнага спектру. Гэтая даўжыня хвалі значна карацейшая, чым у бачнага святла (400-700 нм), а таксама чым у літаграфіі глыбокага ультрафіялетавага выпраменьвання (DUV), якая звычайна працуе пры 248 нм (KrF) або 193 нм (ArF).

Выкарыстанне гэтай вельмі кароткай даўжыні хвалі дазваляе вызначыць значна меншыя і шчыльныя ўзоры на крэмніевых пласцінах, што азначае магчымасць інтэграцыі мільярдаў транзістараў на адным чыпе. Кожнае новае пакаленне літаграфічных вузлоў (7 нм, 5 нм, 3 нм, 2 нм, 1,8 нм…) пастаўляецца з больш хуткімі чыпамі, з большай ёмістасцю і значна меншае спажыванне энергіі.

Фоталітаграфія, як з выкарыстаннем DUV, так і з выкарыстаннем EUV, у асноўным складаецца з праецыраваць геаметрычны ўзор на пласціну, пакрытую фотарэзістамГэты фотапалімер змяняецца пры выбарачным асвятленні праз маску (або фоташаблон), так што апрачаныя ўчасткі становяцца растваральнымі або нерастваральнымі, што дазваляе мікраскапічныя структуры вытраўлівацца на падкладцы. У выпадку з EUV фізічны прынцып той жа, але тэхнічная складанасць сістэмы значна ўзрастае.

Ключавы факт заключаецца ў тым, што Даўжыня хвалі 13,5 нм больш чым у дзесяць разоў меншая чым тыя, што выкарыстоўваюцца ў ArF-сканерах (193 нм). Дзякуючы гэтаму абсталяванне EUV можа друкаваць дэталі памерам менш за 20 нм, чаго звычайная літаграфія магла дасягнуць толькі з дапамогай вельмі складаных, павольных і дарагіх шматшаблонных тэхналогій.

Як генеруецца і апрацоўваецца святло EUV

Атрыманне святла з даўжынёй хвалі 13,5 нм кантраляваным чынам і з неабходнай магутнасцю — гэта адна з галоўных тэхнічных праблем гэтай тэхналогііУ сучасных сістэмах, а магутная крыніца CO₂-лазера Ён выпраменьвае два надзвычай хуткія імпульсы ў малюсенькую рухомую кропельку вадкага волава. Першы імпульс дэфармуе кропельку; другі, больш інтэнсіўны імпульс, выпарае яе, утвараючы плазму.

Гэтая гарачая плазма волава выпраменьвае ЭУФ-выпраменьванне, якое захопліваецца калектарным люстэркам і адпраўляецца ў астатнюю частку аптычнай сістэмы. Увесь гэты працэс паўтараецца з уражлівай хуткасцю, прыкладна 50.000 раз у секундудля стварэння светлавога патоку дастатковай інтэнсіўнасці для падтрымання прамысловай вытворчай хуткасці.

Паколькі выпраменьванне EUV паглынаецца паветрам, шлях яго праходжання ад крыніцы да пласціны павінен пралягаць унутры высакаякасная вакуумная камераАкрамя таго, любая часцінка пылу або любая нязначная няроўнасць у аптычных кампанентах могуць сапсаваць праецыруемую выяву, таму патрабаванні да чысціні, механічнай стабільнасці і кантролю вібрацыі вельмі высокія.

Адбівальная оптыка, немагчымыя люстэркі і спецыяльныя маскі

У адрозненне ад DUV-літаграфіі, у якой выкарыстоўваюцца прапускальныя лінзы і празрыстыя кварцавыя маскі, EUV-літаграфія заснавана на цалкам адбівальная оптыкаПрычына простая: практычна ўсе матэрыялы, у тым ліку шкло, якое выкарыстоўваецца ў традыцыйных лінзах, паглынаюць святло з даўжынёй хвалі 13,5 нм.

Замест лінзаў у сістэмах EUV выкарыстоўваецца сістэма, якая складаецца з звышдакладныя шматслаёвыя люстэркі Гэтыя люстэркі накіроўваюць і факусуюць прамень ад крыніцы да пласціны. Яны складаюцца з дзясяткаў чаргуючыхся слаёў розных матэрыялаў, нанесеных з атамнай дакладнасцю, што дазваляе ім адлюстроўваць выпраменьванне ў ультрафіялетавым дыяпазоне (EUF) з максімальна магчымай эфектыўнасцю ў межах фізікі.

Аднак, нават з такімі складанымі рашэннямі, кожнае люстэрка паглынае значную частку святла, якое яно атрымлівае. У існуючых сістэмах ASML выкарыстоўваюцца як мінімум два кандэнсатарныя люстэркі і шэсць праекцыйных люстэркаў, і разам... Прыкладна 96% выпраменьванага святла губляецца.Гэта патрабуе надзвычай яркай крыніцы EUV, каб пасля ўсіх адлюстраванняў на пласціну дасягала дастатковай колькасці энергіі.

Маскі таксама адрозніваюцца: замест празрыстых пласцін з непразрыстымі ўчасткамі, у EUV выкарыстоўваюцца святлоадбівальныя маскіЯны таксама шматслаёвыя, з узорамі, выгравіраванымі ў выглядзе рэльефаў, і пакрыццямі, якія мадулююць адлюстраванне. Любы дэфект маскі або люстэркаў неадкладна прыводзіць да памылак друку і, такім чынам, да дэфектных пласцін.

Што робіць машыны EUV ад ASML такімі асаблівымі?

Фоталітаграфічныя машыны EUV, вырабленыя галандскай кампаніяй ASML, — гэта, даслоўна, некаторыя з самых складаных машын, калі-небудзь пабудаваныхАдзін блок EUV першага пакалення аб'ядноўвае больш за 100 000 дэталяў, каля 3.000 кабеляў, 40 000 нітаў і каля двух кіламетраў унутранай электрычнай праводкі. І ўсё гэта ідэальна скаардынавана надзвычай складаным праграмным забеспячэннем кіравання.

Такі ўзровень складанасці робіць абсталяванне гіганцкім: кожная машына займае прастору, падобную да гарадскі аўтобус А для гэтага патрэбныя некалькі дапаможных модуляў, сістэмы астуджэння, вакуумнае абсталяванне і дакладная электроніка. Акрамя таго, яны не пастаўляюцца ў цалкам сабраным выглядзе; іх перавозяць у сотнях скрынь, а потым збіраюць і калібруюць на месцы, на заводах заказчыка.

Значная частка поспеху ASML заключаецца ў яе сетцы тэхналагічных партнёраў. Прыблізна 90% кампанентаў гэтых машын пастаўляюцца ад іншых вытворцаў распаўсюджаныя па ўсім свеце. Сярод іх вылучаюцца два ключавыя назвы: Cymer і ZEISS, абодва абсалютна неабходныя для належнага функцыянавання EUV-літаграфіі.

Уклад ZEISS: оптыка на мяжы фізікі

Іншым ключавым партнёрам з'яўляецца ZEISS, гістарычная нямецкая кампанія па вытворчасці высокадакладнай оптыкі. ZEISS распрацоўвае і вырабляе Адбівальныя аптычныя кампаненты абсталявання EUV ад ASML, ад першапачатковых збіральных люстэркаў да складанай праекцыйнай оптыкі, якая пераносіць малюнак на крэмній.

Гэтыя люстэркі павінны працаваць з даўжынёй хвалі 13,5 нм, што забяспечвае аднастайнасць і дакладнасць экстрэмальнай формы хвалі. Плоскасць паверхні такая, што калі б люстэрка павялічылі да памераў краіны, няроўнасці былі б меншымі за вышыню травінкі. Любое мінімальна прыкметнае адхіленне сапсуе малюнак і зробіць пласціну непрыдатнай для выкарыстання.

Акрамя люстэркаў, ZEISS удзельнічае ў распрацоўцы датчыкі і прывады, якія карэктуюць у рэжыме рэальнага часу Сістэма выяўляе нязначныя дэфармацыі, зрушэнні або вібрацыі, якія могуць узнікнуць падчас працы. Яна таксама забяспечвае праграмнае забеспячэнне, якое бесперапынна кантралюе паводзіны аптычнай сістэмы і гарантуе, што яна застанецца ў межах выключна жорсткіх дапушчальных значэнняў.

Высоканалітычная дыяпазонная спектраскапія (EUV): новае пакаленне, якое пераадольвае 3-нм бар'ер

Пасля некалькіх гадоў кансалідацыі першага пакалення абсталявання EUV, ASML зрабіла наступны крок са сваімі машынамі высокая лікавая апертура, вядомая як High-NA EUVНайбольш прадстаўнічай камерцыйнай мадэллю з'яўляецца Twinscan EXE:5200, які сёння лічыцца самым перадавым літаграфічным абсталяваннем у свеце.

Ключ да гэтых новых сістэм заключаецца ў павелічэнні лікавай апертуры аптычнай сістэмы: яна змяняецца з NA = 0,33 у сучасным абсталяванні EUV да NA = 0,55 пры высокай NAУ цэлым, гэта дазваляе друкаваць яшчэ больш дробныя дэталі на той жа даўжыні хвалі 13,5 нм, паляпшаючы раздзяляльнасць малюнкаў, перанесеных на пласціну.

Дзякуючы гэтаму ўдасканаленню, абсталяванне High-NA EUV адкрывае дзверы для вытворчасці інтэгральных схем. за камерцыйным парогам 3 нм, дазваляючы вузлы каля 2 нм і нават тэхналогія 18A (1,8 нм), якую плануе выкарыстоўваць Intel. Акрамя таго, ASML аптымізавала механічныя сістэмы і сістэмы апрацоўкі пласцін, каб адна машына з высокай аператыўнай аператыўнай прадукцыйнасцю магла апрацоўваць больш за 200 пласцін у гадзіну, што мае вырашальнае значэнне для падтрымання канкурэнтаздольнай кошту на чып.

Паводле ацэнак, кошт машыны з высокай нулявой аперацыяй складае каля 300 мільёнаў долараў за адзінкуГэта прыкладна ўдвая даражэй за EUV першага пакалення, якое каштуе каля 150 мільёнаў. Тым не менш, для вытворцаў, якія хочуць апярэджваць канкурэнтаў, гэта практычна абавязковая інвестыцыя.

Тэхналагічная манаполія з велізарным геапалітычным уплывам

На рынку літаграфіі EUV ёсць адзін бясспрэчны факт: ASML — адзіны вытворца, здольны вырабляць гэтыя машыны. у прамысловых маштабах. Гэтая манаполія азначае беспрэцэдэнтную пазіцыю ўлады ў ланцужку стварэння каштоўнасці паўправаднікоў.

Такія гіганты, як TSMC, Samsung і Intel, выкарыстоўваюць абсталяванне ASML для ультрафіялетавай экспазіцыі (EUV) для вытворчасці сваіх самых перадавых чыпаў. Прыблізна чвэрць даходу Даход ASML ужо паступае непасрэдна ад продажу сістэм EUV, не ўлічваючы кантракты на абслугоўванне, мадэрнізацыю, навучанне і тэхнічнае абслугоўванне.

Гэтая тэхналагічная вобласць таксама мае выразнае геапалітычнае вымярэннеНапружанасць паміж Злучанымі Штатамі і Кітаем паставіла літаграфію з выкарыстаннем ультрафіялетавага ультрафіялетавага працэсу (EUV) у цэнтр дыскусіі. Вашынгтон ціснуў на Нідэрланды, каб яны абмежавалі экспарт сваіх самых перадавых машын у Кітай, імкнучыся абмежаваць доступ азіяцкай краіны да перадавых вузлоў. Тым часам японскія вытворцы, такія як Canon, вывучаюць альтэрнатывы, такія як нанаімпрынтная літаграфія (NIL), тэарэтычна здольная вырабляць 2-нм вузлы, але пакуль што EUV застаецца фактычным стандартам на тэхналагічным авангардзе.

Чаму EUV-літаграфія такая важная для сучасных мікрасхем

Актуальнасць літаграфіі ў ультрафіялетавым узоры (EUV) лепш за ўсё зразумець, калі паглядзець на прылады, якімі мы карыстаемся штодня. Многія з іх смартфоны, разумныя гадзіннікі, гульнявыя прыстаўкі і кампутары больш познія, як у сваіх дызайн чыпа Як і ў вытворчасці, яны выкарыстоўваюць працэсары, відэакарты, сістэмы на кристале і памяць, вырабленыя з выкарыстаннем 7-нм, 5-нм або ніжэйшых тэхналагічных працэсаў, дзе EUV ужо неабходны для пэўных узроўняў працэсу.

Напрыклад, Samsung абвясціла аб выкарыстанні EUV для вытворчасці сваіх 7-нм чыпы пад назвай 7LPPГэтыя тэхналогіі будуць мець фундаментальнае значэнне для стварэння высокапрапускных сетак 5G, перадавых прыкладанняў штучнага інтэлекту, Інтэрнэту рэчаў і сістэм аўтаномнага кіравання. Паводле звестак кампаніі, пераход на EUV дазваляе скараціць спажыванне энергіі да 50%, павысіць прадукцыйнасць на 20% і паменшыць займаную плошчу прыкладна на 40% у параўнанні з папярэднімі шматшаблоннымі тэхналогіямі на аснове ArF.

Такія кампаніі, як Apple, Huawei і іншыя буйныя распрацоўшчыкі чыпаў, таксама разлічваюць на іх. Ліцейныя заводы, якія выкарыстоўваюць EUV каб мець магчымасць прапаноўваць больш хуткія і эфектыўныя прылады. І гаворка ідзе не толькі пра сырую магутнасць: зніжэнне спажывання энергіі і нагрэву мае вырашальнае значэнне для таго, каб мабільныя тэлефоны, ноўтбукі і серверы працавалі лепш у разумных тэмпературных межах.

Асноўныя перавагі EUV-літаграфіі ў параўнанні з DUV

Першай важнай перавагай EUV-літаграфіі з'яўляецца магчымасць друкаваць значна меншыя элементыЗ такой кароткай даўжынёй хвалі і адпаведнай лікавай апертурай можна вырабляць структуры, якія пры тым жа памеры чыпа ў некалькі разоў павялічваюць колькасць даступных транзістараў у параўнанні з папярэднімі тэхналогіямі.

Гэта перакладаецца ў чыпсы з большая вылічальная магутнасць, больш інтэграванай памяці І, перш за ўсё, значна ніжэйшае спажыванне энергіі на адну аперацыю. Для цэнтраў апрацоўкі дадзеных, сетак сувязі або маштабных прыкладанняў штучнага інтэлекту такое паляпшэнне энергаэфектыўнасці мае істотны ўплыў на эксплуатацыйныя выдаткі.

Другая перавага звязана з працэсам: EUV дазваляе скараціць колькасць неабходных літаграфічных этапаў каб дасягнуць таго ж шаблону. У той час як метады ArF і шматшаблонных метадаў могуць запатрабаваць трох ці чатырох розных экспазіцый для дасягнення складанай структуры, EUV часта патрабуе толькі адной. Гэта спрашчае вытворчы працэс, паляпшае выхад і можа знізіць кошт аднаго чыпа ў сярэднетэрміновай перспектыве.

Акрамя таго, дзякуючы магчымасці сканцэнтраваць больш функцыянальнасці на меншай плошчы паверхні, гэта адкрывае дзверы да ўсё больш інтэграваных архітэктур сістэм на чыпе, дзе блокі працэсара, графічнага працэсара, паскаральнікаў штучнага інтэлекту, памяці і спецыфічнай логікі суіснуюць на адным кавалку крэмнію — нешта жыццяздольнае толькі тады, калі вельмі высокая шчыльнасць інтэграцыі.

Сучасныя недахопы і абмежаванні EUV

Асноўнай перашкодай для EUV-літаграфіі, несумненна, з'яўляецца астранамічны кошт машын і інфраструктура, якая ім патрэбна. Гаворка ідзе не толькі пра абсталяванне, кошт якога лёгка перавышае сто мільёнаў долараў за адзінку, але і пра цэлыя заводы, спраектаваныя вакол яго, з перадавымі чыстымі памяшканнямі, вельмі магутнымі крыніцамі харчавання і надзвычай складанымі сістэмамі падтрымкі.

Гэта азначае, што толькі некалькі вядучых ліцейных заводаў і вытворцаў электроннага абсталявання — TSMC, Samsung, Intel і некаторыя іншыя — могуць дазволіць сабе разгортваць EUV-тэхналогію ў вялікіх маштабах. Значная частка астатняй галіны працягвае выкарыстоўваць DUV-літаграфію, якая больш даступная і цалкам адпавядае яе прызначэнню. менш прасунутыя чыпы напрыклад, тыя, хто працуе ў аўтамабільнай прамысловасці, базавай бытавой электроніцы і многіх прамысловых сістэмах.

Акрамя таго, тэхналогіі ўсё яшчэ цягнуць тэхнічныя праблемы Важныя фактары ўключаюць: магутнасць крыніц святла, тэрмін службы аптычных пакрыццяў, якія абараняюць ад такога высокаэнергетычнага выпраменьвання, складанасць адбівальных масак і неабходнасць падтрымання высокай прадукцыйнасці без узнікнення дэфектаў на пласціне — пытанні, якія працягваюць удасканальвацца з пакалення ў пакаленне.

ASML, Intel, Samsung і TSMC: ланцужок узаемазвязаных залежнасцей

Супрацоўніцтва паміж ASML і буйнымі вытворцамі чыпаў — гэта не проста адносіны паміж кліентам і пастаўшчыком. Напрыклад, Intel інвеставала каля 4.000 мільярды долараў у ASML у 2012 годзе падтрымаць распрацоўку першых машын EUV, забяспечыць прыярытэтны доступ да тэхналогіі і актыўна ўдзельнічаць у яе распрацоўцы.

У цяперашні час ASML пастаўляе свае першыя сістэмы High-NA EUV стратэгічным кліентам. Першая сістэма Twinscan EXE:5200 была пастаўлена на завод Intel у Хілсбара, штат Каліфорнія, што адпавядае планам кампаніі па дасягненні вузла 18A (1,8 нм) у другой палове дзесяцігоддзя. скараціць адставанне ад TSMC і Samsung у гонцы за тэхналагічнае лідарства.

Тым часам Samsung і TSMC змагаюцца як за даступныя вытворчыя магутнасці EUV, так і за прыярытэт у пастаўках ASML. Затрымкі экспарту, якія пагоршыліся пандэміяй COVID-19, часам прымушалі... перагледзець дарожныя карты, адкласці пілотную вытворчасць вузлоў, такіх як 3-нм, і рэарганізаваць размеркаванне пласцін паміж высокакаштоўнымі кліентамі, такімі як Apple, Qualcomm або буйныя вытворцы аўтамабіляў.

Уся гэтая экасістэма азначае, што даступнасць сістэм EUV, хуткасць пастаўкі ASML і адаптыўнасць Cymer, ZEISS і іншых пастаўшчыкоў сталі вырашальнымі фактарамі пры вызначэнні Якія кампаніі і якія краіны задаюць тэмп? у паўправадніковай прамысловасці наступнага пакалення.

Экстрэмальная ультрафіялетавая фоталітаграфія зарэкамендавала сябе як ключ да захавання закона Мура, вытворчасці чыпаў 7, 5 і 3 нм, а таксама да пераходу на 2 нм і ніжэй, але таксама як рэдкі і надзвычай дарагі рэсурс, які кантралюецца невялікай колькасцю гульцоў. Разуменне яе фізікі, праблем і рынку дапамагае нам зразумець, чаму наш мабільны тэлефон, наш аўтамабіль ці воблака, якім мы карыстаемся штодня, насамрэч залежаць ад некалькіх гіганцкіх машын, раскіданых па ўсім свеце і на... Здольнасць ASML і яе партнёраў працягваць пашыраць межы тэхналогіі EUV.

звязаныя артыкулы:

Apple і Intel рыхтуюць новы альянс для вытворчасці наступных чыпаў серыі M.

Альберта Навара

Я энтузіяст тэхналогій, які ператварыў свае інтарэсы "гікаў" у прафесію. Я правёў больш за 10 гадоў свайго жыцця, выкарыстоўваючы перадавыя тэхналогіі і важдаючыся з рознымі праграмамі з чыстай цікаўнасці. Цяпер я спецыялізаваўся на камп'ютарных тэхналогіях і відэагульнях. Гэта таму, што больш за 5 гадоў я працаваў для розных вэб-сайтаў, прысвечаных тэхналогіям і відэагульням, ствараючы артыкулы, якія імкнуцца даць вам неабходную інфармацыю на мове, зразумелай кожнаму.

Калі ў вас ёсць якія-небудзь пытанні, я ведаю ўсё, што звязана з аперацыйнай сістэмай Windows і Android для мабільных тэлефонаў. І я перад вамі абавязаны: я заўсёды гатовы выдаткаваць некалькі хвілін і дапамагчы вам вырашыць любыя пытанні, якія могуць узнікнуць у гэтым свеце Інтэрнэту.