Extreme ultraviolet (EUV) photolithography: ang teknolohiya nga nagpaluyo sa kaugmaon sa mga chips

Kon maghisgot ta bahin sa kaugmaon sa mga chips, sa pinakagamhanang mga mobile phone, o sa umaabot nga artificial intelligence, adunay usa ka termino nga kanunayng mogawas sa panag-istoryahanay: grabeng ultraviolet photolithography, gitawag usab nga EUV lithographyKining teknolohiyaha nahimong babag ug kusog sa pag-uswag sa labing abanteng mga semiconductor sa kalibutan.

Bisan tuod paminawon nga teknikal kaayo ang konsepto, ang pagsabot kon unsa ang EUV lithography, unsaon kini paglihok, kinsa ang nagkontrol niini, ug unsay epekto niini sa geopolitics ug sa global nga ekonomiya mao ang yawe sa pagsabot nganong adunay kakulangon sa chip, nganong ang ubang mga nasud nag-away tungod niining mga makina, ug nganong ang mga kompanya sama sa ASML, TSMC, Samsung o Intel Nahimo silang estratehiko sa tibuok kalibutan nga sukod.

Unsa ang extreme ultraviolet (EUV) photolithography?

Sa industriya sa semiconductor, ang EUV lithography nagtumong sa usa ka teknik sa photolithography nga naggamit ug grabeng ultraviolet nga kahayag nga adunay wavelength nga 13,5 nanometer, buot ipasabot, sa rehiyon sa gitawag nga soft X-rays sulod sa electromagnetic spectrum. Kini nga wavelength mas mubo kay sa makita nga kahayag (400-700 nm) ug usab kay sa deep ultraviolet (DUV) lithography, nga kasagaran mogana sa 248 nm (KrF) o 193 nm (ArF).

Ang paggamit niining mubo kaayong wavelength nagtugot pagtino sa mas gagmay ug mas dasok nga mga sumbanan sa mga silicon wafer, nga nagpasabot sa posibilidad sa pag-integrate sa bilyon-bilyong transistors ngadto sa usa ka chip. Ang matag bag-ong henerasyon sa mga lithographic node (7 nm, 5 nm, 3 nm, 2 nm, 1,8 nm…) adunay mas paspas nga mga chips, nga adunay mas dako nga kapasidad ug usa ka mas ubos nga konsumo sa enerhiya.

Ang photolithography, gamit man ang DUV o EUV, sa panguna gilangkoban sa pag-project og geometric pattern ngadto sa usa ka wafer nga giputos og photoresistKini nga photopolymer mausab kon pilion nga masanagan pinaagi sa usa ka maskara (o photomask), aron ang mga nabutyag nga lugar mahimong matunaw o dili matunaw, nga magtugot sa mikroskopikong mga istruktura nga makulit sa substrate. Sa EUV, ang pisikal nga prinsipyo parehas ra, apan ang teknikal nga pagkakomplikado sa sistema motaas pag-ayo.

Usa ka importanteng kamatuoran mao nga Ang wavelength nga 13,5 nm mas gamay pa sa napulo ka pilo kaysa gigamit sa mga ArF scanner (193 nm). Tungod niini, ang kagamitan sa EUV makaimprinta og mga detalye nga mas gamay sa 20 nm, usa ka butang nga makab-ot lamang sa naandan nga lithography gamit ang komplikado, hinay, ug mahal nga mga teknik sa multi-pattern.

Giunsa pagmugna ug pagdumala ang kahayag sa EUV

Ang paghimo og 13,5 nm nga kahayag sa kontroladong paagi ug uban sa gikinahanglan nga gahum mao ang usa sa mga nag-unang teknikal nga hagit niini nga teknolohiyaSa kasamtangang mga sistema, usa ka taas nga gahum nga tinubdan sa CO₂ laser Kini mopabuto og duha ka kusog kaayong pulso sa usa ka gamay, naglihok nga tinulo sa likidong lata. Ang unang pulso mo-deform sa tinulo; ang ikaduha, mas kusog nga pulso mo-vaporize niini, nga moporma og plasma.

Kining init nga lata nga plasma mopagawas ug EUV radiation, nga makuha sa usa ka collector mirror ug ipadala ngadto sa ubang bahin sa optical system. Kining tibuok proseso mobalik-balik sa impresibong gikusgon, mga 50.000 ka beses kada segundoaron makamugna og gaan nga pag-agos nga igo ang kusog aron mapadayon ang usa ka industriyal nga gikusgon sa produksiyon.

Tungod kay ang EUV radiation masuhop sa hangin, ang agianan niini gikan sa tinubdan ngadto sa wafer kinahanglan nga sulod sa usa ka taas nga kalidad nga vacuum chamberDugang pa, ang bisan unsang tipik sa abog o bisan unsang gamay nga pagkadili-regular sa mga optical component makadaot sa gi-project nga imahe, busa ang mga kinahanglanon alang sa kalimpyo, mekanikal nga kalig-on, ug pagkontrol sa vibration hilabihan kaayo.

Mga repleksyon sa optika, imposible nga mga salamin, ug mga espesyal nga maskara

Dili sama sa DUV lithography, nga naggamit og mga transmission lenses ug transparent quartz masks, ang EUV lithography gibase sa hingpit nga reflective nga optikaYano ra ang hinungdan: halos tanang materyales, lakip na ang bildo nga gigamit sa tradisyonal nga mga lente, mosuhop og kahayag nga 13,5 nm.

Imbis nga mga lente, ang mga sistema sa EUV naggamit ug sistema nga gilangkoban sa ultra-precision nga multi-layered nga mga salamin Kining mga salamin mogiya ug mopokus sa silaw gikan sa tinubdan ngadto sa wafer. Kini gilangkoban sa dose-dosenang nagpuli-puli nga mga lut-od sa lain-laing mga materyales nga gideposito nga adunay atomic precision, nga nagtugot kanila sa pagpabanaag sa EUV radiation nga adunay labing taas nga posible nga kahusayan sulod sa mga limitasyon sa pisika.

Apan, bisan pa niining mga sopistikado nga solusyon, ang matag salamin mosuhop ug dakong bahin sa kahayag nga madawat niini. Ang kasamtangang mga sistema sa ASML naggamit ug labing menos duha ka condenser mirror ug unom ka projection mirror, ug kon iuban, Gibana-bana nga 96% sa gibuga nga kahayag ang mawala.Kini nagkinahanglan nga ang tinubdan sa EUV mahimong talagsaon ka hayag aron, human sa tanang mga repleksyon, igong enerhiya ang makaabot sa wafer.

Lahi usab ang mga maskara: imbes nga transparent nga mga plato nga adunay dili matabonan nga mga lugar, ang mga EUV naggamit mga maskara nga nagpabanaagKini usab adunay daghang lut-od, nga adunay mga disenyo nga gikulit niini isip mga relief ug coatings nga nag-modulate sa repleksyon. Ang bisan unsang depekto sa maskara o sa mga salamin moresulta dayon sa mga sayop sa pag-imprinta ug, busa, depektoso nga mga wafer.

Unsa ang nakapahimo sa mga makina sa EUV sa ASML nga espesyal kaayo?

Ang mga makina sa photolithography sa EUV nga gihimo sa kompanyang Dutch nga ASML, sa literal, pipila sa labing komplikado nga mga makina nga nahimo sukadAng usa ka first-generation EUV unit naghiusa sa kapin sa 100.000 ka piyesa, mga 3.000 ka kable, 40.000 ka bolt, ug mga duha ka kilometro nga internal electrical wiring. Ug kining tanan hingpit nga gi-coordinate sa sopistikado kaayo nga control software.

Kining lebel sa pagkakomplikado naghimo sa kagamitan nga dako kaayo: ang matag makina nag-okupar og luna nga susama sa usa ka bus sa siyudad Ug nagkinahanglan kini og daghang auxiliary modules, cooling systems, vacuum equipment, ug precision electronics. Dugang pa, dili kini ipadala nga kompleto nga na-assemble; kini gidala sa gatusan ka mga crate ug gi-assemble ug gi-calibrate on-site sa mga pabrika sa kustomer.

Kadaghanan sa kalampusan sa ASML anaa sa network sa mga kauban sa teknolohiya niini. Gibana-bana nga 90% sa mga sangkap niini nga mga makina gikan sa ubang mga tiggama mikaylap sa tibuok kalibutan. Lakip niini, duha ka importanteng ngalan ang mitumaw: Cymer ug ZEISS, parehong importante kaayo para sa EUV lithography nga molihok sama sa angay.

Kontribusyon ni ZEISS: optika sa mga limitasyon sa pisika

Ang laing importanteng kauban mao ang ZEISS, ang makasaysayanong kompanya sa high-precision optics sa Alemanya. Ang ZEISS nagdesinyo ug naggama sa Mga repleksyon sa optikal nga kagamitan sa EUV gikan sa ASML, gikan sa inisyal nga mga salamin sa pagkolekta ngadto sa komplikado nga mga optika sa projection nga nagbalhin sa sumbanan ngadto sa silicon.

Kini nga mga salamin kinahanglan nga molihok uban ang wavelength nga 13,5 nm nga nagmintinar sa pagkaparehas ug katukma sa grabeng porma sa balud. Ang pagkapatag sa nawong mao nga, kon ang usa ka salamin padak-on sa gidak-on sa usa ka nasud, ang mga iregularidad mas mubo kay sa gitas-on sa usa ka dahon sa sagbot. Ang bisan unsang gamay nga mamatikdan nga pagtipas makadaot sa sumbanan ug makahimo sa wafer nga dili magamit.

Gawas sa mga salamin, ang ZEISS nalambigit sa pagpalambo mga sensor ug actuator nga nagtul-id sa tinuod nga oras Ang sistema makamatikod sa gagmay nga mga deformasyon, pagbalhin, o pag-uyog nga mahimong mahitabo atol sa operasyon. Naghatag usab kini og software nga padayon nga nagmonitor sa pamatasan sa optical system ug nagsiguro nga kini magpabilin sulod sa hugot kaayo nga mga tolerance.

High-NA EUV: ang bag-ong henerasyon nga nakabungkag sa 3nm nga babag

Human sa pipila ka tuig nga pagkonsolida sa unang henerasyon sa mga kagamitan sa EUV, ang ASML mihimo sa sunod nga lakang uban sa mga makina niini taas nga numerical aperture, nailhan nga High-NA EUVAng labing representante nga komersyal nga modelo mao ang Twinscan EXE:5200, nga giisip karon nga labing abante nga kagamitan sa lithography sa kalibutan.

Ang yawe niining mga bag-ong sistema anaa sa pagsaka sa numerical aperture sa optical system: kini mobalhin gikan sa NA = 0,33 sa kasamtangang EUV equipment ngadto sa NA = 0,55 sa Taas nga NASa kinatibuk-an, kini nagtugot sa pag-imprinta og mas pino nga mga detalye sa samang wavelength nga 13,5 nm, nga nagpauswag sa resolusyon sa mga pattern nga gibalhin ngadto sa wafer.

Tungod niining kalamboan, ang mga kagamitan sa High-NA EUV nagbukas sa pultahan sa paghimo og mga integrated circuit. lapas sa komersyal nga sukdanan nga 3 nm, pagtugot mga node sa palibot sa 2 nm ug bisan ang 18A (1,8 nm) nga teknolohiya nga plano sa Intel nga gamiton. Dugang pa, gi-optimize sa ASML ang mga mekanikal ug wafer handling system aron ang usa ka High-NA nga makina makaproseso og sobra sa 200 ka wafer kada oras, nga kritikal alang sa pagmintinar sa usa ka kompetisyon nga gasto kada chip.

Ang presyo sa usa ka High-NA nga makina gibanabana nga anaa sa mga $ 300 milyon matag yunitKana halos doble sa presyo sa usa ka first-generation EUV, nga nagkantidad og mga 150 milyon. Bisan pa niana, alang sa mga tiggama nga gusto nga magpabilin nga una sa kurba, kini usa ka kinahanglanon nga puhunan.

Usa ka monopolyo sa teknolohiya nga adunay dakong epekto sa geopolitika

Sa merkado sa EUV lithography, adunay usa ka dili ikalimod nga kamatuoran: Ang ASML mao lamang ang tiggama nga makahimo sa paghimo niining mga makina sa industriyal nga sukod. Kini nga monopolyo gihubad ngadto sa usa ka wala pa sukad nga posisyon sa gahum sulod sa semiconductor value chain.

Ang mga higanteng kompanya sama sa TSMC, Samsung, ug Intel nagsalig sa mga kagamitan sa EUV sa ASML aron makahimo sa ilang labing abante nga mga chips. Gibana-bana nga usa ka quarter sa kita Ang kita sa ASML direktang nagagikan na sa pagbaligya sa mga sistema sa EUV, wala pay labot ang mga kontrata sa serbisyo, mga pag-upgrade, pagbansay ug pagmentinar.

Kini nga teknolohikal nga natad adunay usab usa ka klaro nga geopolitikal nga dimensyonAng tensyon tali sa Estados Unidos ug China nagbutang sa EUV lithography sa sentro sa debate. Gipugos sa Washington ang Netherlands nga limitahan ang pag-eksport sa labing abante nga mga makina niini ngadto sa China, nga nagtumong sa pagpugong sa pag-access sa nasud sa Asya sa mga cutting-edge node. Samtang, ang mga tiggama sa Hapon sama sa Canon nagsuhid sa mga alternatibo sama sa nanoimprint lithography (NIL), nga sa teorya makahimo sa paghimo og 2nm nodes, apan sa pagkakaron, ang EUV nagpabilin nga de facto nga standard sa teknolohikal nga unahan.

Ngano nga ang EUV lithography importante kaayo alang sa mga chips karon

Ang kalambigitan sa EUV lithography mas masabtan pinaagi sa pagtan-aw sa mga aparato nga atong gigamit adlaw-adlaw. Daghan sa mga mga smartphone, smartwatch, mga video game console ug mga kompyuter mas bag-o, pareho sa ilang laraw sa chip Sama sa ilang paggama, naggamit sila og mga CPU, GPU, SoC ug mga memorya nga gihimo gamit ang 7nm, 5nm o mas ubos nga mga node, diin ang EUV hinungdanon na alang sa pipila ka mga lut-od sa proseso.

Pananglitan, gipahibalo sa Samsung ang paggamit sa EUV sa paghimo niini 7nm chips nga gitawag og 7LPPKini nga mga teknolohiya mahimong sukaranan alang sa pagpagana sa mga high-capacity 5G network, mga advanced artificial intelligence application, ang Internet of Things, ug mga autonomous driving system. Sumala sa kompanya, ang pagbalhin ngadto sa EUV nagtugot sa hangtod sa 50% nga pagkunhod sa konsumo sa enerhiya, 20% nga pagtaas sa performance, ug gibana-bana nga 40% nga pagkunhod sa footprint kon itandi sa nangaging multi-pattern ArF-based nga mga teknolohiya.

Ang mga kompanya sama sa Apple, Huawei, ug uban pang dagkong mga tigdesinyo sa chip nagsalig usab kanila. Mga foundry nga naggamit og EUV aron makatanyag og mas paspas ug mas episyente nga mga aparato. Ug dili lang kini bahin sa hilaw nga kuryente: ang pagkunhod sa konsumo sa kuryente ug kainit hinungdanon alang sa mga mobile phone, laptop, ug mga server aron molihok nga mas maayo sulod sa makatarunganon nga mga limitasyon sa kainit.

Mga pangunang bentaha sa EUV lithography batok sa DUV

Ang unang dakong bentaha sa EUV lithography mao ang posibilidad sa pag-imprinta og mas gagmay nga mga bahinUban sa ingon ka mubo nga wavelength ug usa ka angay nga numerical aperture, ang mga istruktura mahimong mahimo nga, alang sa parehas nga gidak-on sa chip, mapadaghan ang gidaghanon sa mga transistor nga magamit sa daghang beses kung itandi sa nangaging mga teknolohiya.

Kini gihubad ngadto sa mga chips nga adunay mas dako nga kapasidad sa pagproseso, mas integrated memory Ug, labaw sa tanan, mas ubos nga konsumo sa enerhiya kada operasyon. Para sa mga data center, mga network sa komunikasyon, o mga aplikasyon sa AI sa dagkong sukod, kini nga pag-uswag sa kahusayan sa enerhiya adunay dakong epekto sa mga gasto sa operasyon.

Ang ikaduhang bentaha may kalabutan sa proseso: Gitugotan sa EUV pagpakunhod sa gidaghanon sa gikinahanglan nga mga lakang sa lithographic aron makab-ot ang parehas nga sumbanan. Samtang ang mga pamaagi sa ArF ug multi-pattern mahimong magkinahanglan og tulo o upat ka lainlaing mga exposure aron makab-ot ang usa ka komplikado nga istruktura, ang EUV kanunay nga nanginahanglan usa ra. Kini nagpasayon ​​sa dagan sa paggama, nagpauswag sa ani, ug makapakunhod sa gasto matag chip sa medium nga termino.

Dugang pa, pinaagi sa pag-concentrate og dugang nga functionality sa mas gamay nga surface area, kini nagbukas sa pultahan ngadto sa mas integrated system-on-a-chip architectures, nga adunay mga bloke sa CPU, GPU, AI accelerators, memory, ug specific logic nga nag-uban sa samang silicon—usa ka butang nga mabuhi lamang kung ang usa ka taas kaayo nga densidad sa integrasyon.

Ang kasamtangang mga disbentaha ug limitasyon sa EUV

Ang pangunang babag sa EUV lithography, walay duhaduha, mao ang astronomikal nga gasto sa mga makina ug ang imprastraktura nga ilang gikinahanglan. Dili lang kita maghisgot bahin sa mga kagamitan nga dali nga molapas sa usa ka gatos ka milyon nga dolyar matag yunit, apan lakip usab ang tibuok nga mga planta nga gidisenyo palibot niini, nga adunay mga abante nga limpyo nga mga kwarto, kusgan kaayo nga mga suplay sa kuryente, ug labi ka komplikado nga mga sistema sa suporta.

Kini nagpasabot nga pipila lang ka mga top-tier foundry ug IDM—TSMC, Samsung, Intel, ug pipila pa—ang makaarang sa pag-deploy sa EUV sa dako nga sukod. Kadaghanan sa uban pang industriya nagpadayon sa paggamit sa DUV lithography, nga mas barato ug hingpit nga igo alang sa gituyo nga katuyoan niini. dili kaayo abante nga mga chips sama sa mga nagtrabaho sa awto, mga batakang elektroniko sa konsyumer, ug daghang sistema sa industriya.

Dugang pa, ang teknolohiya naglisod gihapon teknikal nga mga hagit Ang mga importanteng butang naglakip sa: ang gahum sa mga tinubdan sa kahayag, ang gidugayon sa paggamit sa optical coatings batok sa ingon nga high-energy radiation, ang pagkakomplikado sa mga reflective mask, ug ang panginahanglan sa pagmintinar sa taas nga produktibidad nga dili hinungdan sa mga depekto matag wafer—mga isyu nga padayon nga gipino gikan sa henerasyon ngadto sa henerasyon.

ASML, Intel, Samsung ug TSMC: usa ka kadena sa mga cross-dependency

Ang kolaborasyon tali sa ASML ug sa mga dagkong tiggama og chip dili lang usa ka relasyon tali sa kliyente ug suplayer. Pananglitan, ang Intel namuhunan og mga $4.000 bilyon sa ASML niadtong 2012 aron suportahan ang pagpalambo sa unang mga makina sa EUV, masiguro ang prayoridad nga pag-access sa teknolohiya, ug aktibong moapil sa pagpalambo niini.

Ang ASML karon naghatud sa una niining High-NA EUV systems ngadto sa mga estratehikong kustomer. Ang unang Twinscan EXE:5200 system nahatud na sa usa ka pabrika sa Intel sa Hillsboro, California, usa ka lakang nga nahiuyon sa roadmap sa kompanya aron maabot ang 18A (1,8 nm) node niini sa ikaduhang katunga sa dekada. isira ang kal-ang uban sa TSMC ug Samsung sa lumba alang sa teknolohikal nga pagpangulo.

Samtang, ang Samsung ug TSMC nagkompetensya alang sa magamit nga kapasidad sa produksiyon sa EUV ug prayoridad sa mga kargamento sa ASML. Ang mga pagkalangan sa pag-eksport—nga gipalala sa pandemya sa COVID-19—usahay napugos pag-usab sa mga roadmap, i-postpone ang pilot production sa mga node sama sa 3nm ug i-reorganisa ang alokasyon sa mga wafer taliwala sa mga high-value nga kustomer sama sa Apple, Qualcomm o dagkong mga tiggama og sakyanan.

Kining tibuok ekosistema nagpasabot nga ang pagkaanaa sa mga sistema sa EUV, ang gikusgon sa paghatud sa ASML, ug ang pagka-adaptable sa Cymer, ZEISS, ug uban pang mga supplier nahimong mga desidido nga hinungdan sa pagtino. Unsang mga kompanya ug unsang mga nasud ang nag-una sa pag-uswag? sa sunod nga henerasyon sa industriya sa semiconductor.

Ang grabeng ultraviolet photolithography natukod isip yawe sa pagpadayon sa Moore's Law, paghimo og 7, 5, ug 3 nm chips, ug pagsulod sa 2 nm ug ubos pa, apan usa usab ka nihit ug mahal kaayo nga kapanguhaan nga gikontrolar sa pipila ka mga magdudula. Ang pagsabot sa pisika niini, mga hagit niini, ug merkado niini makatabang kanato nga makita kung ngano nga ang atong mobile phone, ang atong sakyanan, o ang cloud nga atong gigamit adlaw-adlaw aktuwal nga nagsalig sa pipila ka higanteng mga makina nga nagkatag sa tibuok kalibutan ug sa Ang abilidad sa ASML ug sa mga kauban niini sa pagpadayon sa pagduso sa mga utlanan sa teknolohiya sa EUV.

Giangkon nga artikulo:

Ang Apple ug Intel nag-andam sa usa ka bag-ong alyansa sa paghimo sa sunod nga M-series chips.

Alberto navarro

Usa ako ka mahiligon sa teknolohiya nga naghimo sa iyang "geek" nga interes nga usa ka propesyon. Gigugol nako ang sobra sa 10 ka tuig sa akong kinabuhi gamit ang labing bag-ong teknolohiya ug pag-usisa sa tanan nga mga klase sa mga programa tungod sa putli nga pagkamausisaon. Karon espesyalista na ako sa teknolohiya sa kompyuter ug mga dula sa video. Kini tungod kay sa sobra sa 5 ka tuig nagsulat ako alang sa lainlaing mga website sa teknolohiya ug mga dula sa video, nagmugna og mga artikulo nga nagtinguha sa paghatag kanimo sa impormasyon nga imong gikinahanglan sa usa ka pinulongan nga masabtan sa tanan.

Kung naa kay mga pangutana, ang akong kahibalo gikan sa tanan nga may kalabotan sa operating system sa Windows ingon man sa Android para sa mga mobile phone. Ug ang akong pasalig kanimo, andam ako kanunay nga mogahin og pipila ka minuto ug tabangan ka nga masulbad ang bisan unsang mga pangutana nga mahimo nimo sa niining kalibutan sa internet.