Ffotolithograffeg uwchfioled eithafol (EUV): y dechnoleg sy'n sail i ddyfodol sglodion

Wrth drafod dyfodol sglodion, y ffonau symudol mwyaf pwerus, neu'r deallusrwydd artiffisial sydd ar ddod, mae un term sy'n codi bob amser yn y sgwrs: ffotolithograffeg uwchfioled eithafol, a elwir hefyd yn lithograffeg EUVMae'r dechnoleg hon wedi dod yn rhwystr ac yn rym gyrru y tu ôl i ddatblygiad lled-ddargludyddion mwyaf arloesol y byd.

Er bod y cysyniad yn swnio'n dechnegol iawn, mae deall beth yw lithograffeg EUV, sut mae'n gweithio, pwy sy'n ei rheoli, a pha effaith sydd ganddi ar geopolitics a'r economi fyd-eang yn allweddol i ddeall pam mae prinder sglodion, pam mae rhai gwledydd yn ymladd dros y peiriannau hyn, a pham mae cwmnïau fel ASML, TSMC, Samsung neu Intel Maent wedi dod yn strategol ar raddfa fyd-eang.

Beth yw ffotolithograffeg uwchfioled eithafol (EUV)?

Yn y diwydiant lled-ddargludyddion, mae lithograffeg EUV yn cyfeirio at a techneg ffotolithograffeg sy'n defnyddio golau uwchfioled eithafol gyda thonfedd o 13,5 nanometr, hynny yw, yn rhanbarth yr hyn a elwir yn belydrau-X meddal o fewn y sbectrwm electromagnetig. Mae'r donfedd hon yn llawer byrrach na thonfedd golau gweladwy (400-700 nm) a hefyd na thonfedd lithograffeg uwchfioled dwfn (DUV), sydd fel arfer yn gweithio ar 248 nm (KrF) neu 193 nm (ArF).

Mae defnyddio'r donfedd fer iawn hon yn caniatáu diffinio patrymau llawer llai a dwysach ar wafferi silicon, sy'n cyfieithu i'r posibilrwydd o integreiddio biliynau o drawsnewidyddion ar un sglodion. Daw pob cenhedlaeth newydd o nodau lithograffig (7 nm, 5 nm, 3 nm, 2 nm, 1,8 nm…) gyda sglodion cyflymach, gyda chynhwysedd mwy a defnydd ynni sylweddol is.

Mae ffotolithograffeg, boed gyda DUV neu EUV, yn cynnwys yn y bôn taflunio patrwm geometrig ar wafer wedi'i orchuddio â ffotowrthwynebMae'r ffotopolymer hwn yn cael ei newid pan gaiff ei oleuo'n ddetholus trwy fwgwd (neu ffotofasg), fel bod yr ardaloedd agored yn dod yn hydawdd neu'n anhydawdd, gan ganiatáu i strwythurau microsgopig gael eu hysgythru ar y swbstrad. Gyda EUV, mae'r egwyddor ffisegol yr un peth, ond mae cymhlethdod technegol y system yn cynyddu'n sylweddol.

Ffaith allweddol yw bod Mae tonfedd o 13,5 nm yn fwy na deg gwaith yn llai na'r hyn a ddefnyddir mewn sganwyr ArF (193 nm). Diolch i hyn, gall offer EUV argraffu manylion llai na 20 nm, rhywbeth na allai lithograffeg gonfensiynol ei gyflawni ond gyda thechnegau aml-batrwm cymhleth, araf a drud iawn.

Sut mae golau EUV yn cael ei gynhyrchu a'i drin

Cynhyrchu golau 13,5 nm mewn modd rheoledig a chyda'r pŵer angenrheidiol yw un o brif heriau technegol y dechnoleg honMewn systemau cyfredol, a ffynhonnell laser CO₂ pŵer uchel Mae'n tanio dau bwls hynod gyflym at ddiferyn bach, symudol o dun hylif. Mae'r pwls cyntaf yn anffurfio'r diferyn; mae'r ail bwls, mwy dwys, yn ei anweddu, gan ffurfio plasma.

Mae'r plasma tun poeth hwn yn allyrru ymbelydredd EUV, sy'n cael ei ddal gan ddrych casglwr a'i anfon i weddill y system optegol. Mae'r broses gyfan hon yn ailadrodd ar gyfradd drawiadol, tua 50.000 gwaith yr eiliadi gynhyrchu llif golau sy'n ddigon dwys i gynnal cyfradd gynhyrchu ddiwydiannol.

Gan fod ymbelydredd EUV yn cael ei amsugno gan aer, rhaid i'r llwybr y mae'n teithio o'r ffynhonnell i'r wafer fod y tu mewn i siambr gwactod o ansawdd uchelAr ben hynny, gall unrhyw ronyn llwch neu unrhyw anghysondeb lleiaf yn y cydrannau optegol ddifetha'r ddelwedd a daflunnir, felly mae'r gofynion ar gyfer glendid, sefydlogrwydd mecanyddol a rheoli dirgryniad yn eithafol.

Opteg adlewyrchol, drychau amhosibl, a masgiau arbennig

Yn wahanol i lithograffeg DUV, sy'n defnyddio lensys trawsyrru a masgiau cwarts tryloyw, mae lithograffeg EUV yn seiliedig ar opteg gwbl adlewyrcholMae'r rheswm yn syml: mae bron pob deunydd, gan gynnwys y gwydr a ddefnyddir mewn lensys traddodiadol, yn amsugno golau o 13,5 nm.

Yn lle lensys, mae systemau EUV yn defnyddio system sy'n cynnwys drychau aml-haenog hynod fanwl gywir Mae'r drychau hyn yn tywys ac yn ffocysu'r trawst o'r ffynhonnell i'r wafer. Maent wedi'u gwneud o ddwsinau o haenau bob yn ail o wahanol ddefnyddiau wedi'u dyddodi â chywirdeb atomig, gan ganiatáu iddynt adlewyrchu ymbelydredd EUV gyda'r effeithlonrwydd uchaf posibl o fewn terfynau ffiseg.

Fodd bynnag, hyd yn oed gyda'r atebion soffistigedig hyn, mae pob drych yn amsugno cyfran sylweddol o'r golau y mae'n ei dderbyn. Mae systemau cyfredol ASML yn defnyddio o leiaf ddau ddrych cyddwysydd a chwe drych taflunio, a gyda'i gilydd, Mae tua 96% o'r golau a allyrrir yn cael ei golli.Mae hyn yn ei gwneud yn ofynnol i'r ffynhonnell EUV fod yn eithriadol o lachar fel, ar ôl yr holl adlewyrchiadau, bod digon o egni yn cyrraedd y wafer.

Mae'r masgiau hefyd yn wahanol: yn lle bod yn blatiau tryloyw gydag ardaloedd afloyw, mae EUVs yn defnyddio masgiau adlewyrcholMae'r rhain hefyd yn aml-haenog, gyda phatrymau wedi'u hysgythru arnynt fel rhyddhadau a haenau sy'n modiwleiddio adlewyrchiad. Mae unrhyw ddiffyg yn y mwgwd neu'r drychau yn arwain ar unwaith at wallau argraffu ac, felly, wafferi diffygiol.

Beth sy'n gwneud peiriannau EUV ASML mor arbennig?

Mae'r peiriannau ffotolithograffeg EUV a gynhyrchir gan y cwmni ASML o'r Iseldiroedd, yn llythrennol, rhai o'r peiriannau mwyaf cymhleth a adeiladwyd erioedMae un uned EUV cenhedlaeth gyntaf yn integreiddio dros 100.000 o rannau, tua 3.000 o geblau, 40.000 o folltau, a thua dau gilometr o wifrau trydanol mewnol. Ac mae hyn i gyd wedi'i gydlynu'n berffaith gan feddalwedd rheoli hynod soffistigedig.

Mae'r lefel hon o gymhlethdod yn gwneud yr offer yn enfawr: mae pob peiriant yn meddiannu lle tebyg i le bws dinas Ac mae angen nifer o fodiwlau ategol, systemau oeri, offer gwactod, ac electroneg manwl gywir. Ar ben hynny, nid ydynt yn cael eu cludo wedi'u cydosod yn llawn; maent yn cael eu cludo mewn cannoedd o gewyll ac yn cael eu cydosod a'u calibro ar y safle yn ffatrïoedd y cwsmer.

Mae llawer o lwyddiant ASML yn gorwedd yn ei rwydwaith o bartneriaid technoleg. Tua Mae 90% o gydrannau'r peiriannau hyn yn dod gan wneuthurwyr eraill wedi'i ddosbarthu ledled y byd. Yn eu plith, mae dau enw allweddol yn sefyll allan: Cymer a ZEISS, y ddau yn gwbl hanfodol er mwyn i lithograffeg EUV weithredu fel y dylai.

Cyfraniad ZEISS: opteg ar derfynau ffiseg

Y partner allweddol arall yw ZEISS, y cwmni opteg manwl gywir hanesyddol o'r Almaen. Mae ZEISS yn dylunio ac yn cynhyrchu'r Cydrannau optegol adlewyrchol offer EUV o ASML, o'r drychau casglu cychwynnol i'r opteg taflunio cymhleth sy'n trosglwyddo'r patrwm i silicon.

Rhaid i'r drychau hyn weithio gyda thonfedd o 13,5 nm yn cynnal unffurfiaeth a chywirdeb o'r donffurf eithafol. Mae gwastadrwydd yr wyneb yn golygu, pe bai drych yn cael ei ehangu i faint gwlad, byddai'r anghysondebau'n llai na thaldra llafn o laswellt. Byddai unrhyw wyriad lleiaf amlwg yn difetha'r patrwm ac yn gwneud y wafer yn anhygyrch.

Yn ogystal â drychau, mae ZEISS yn ymwneud â datblygu synwyryddion ac actuators sy'n cywiro mewn amser real Mae'r system yn canfod anffurfiadau, dadleoliadau neu ddirgryniadau bach a all ddigwydd yn ystod y llawdriniaeth. Mae hefyd yn darparu meddalwedd sy'n monitro ymddygiad y system optegol yn barhaus ac yn sicrhau ei bod yn aros o fewn goddefiannau eithriadol o dynn.

EUV NA uchel: y genhedlaeth newydd sy'n torri'r rhwystr 3nm

Ar ôl sawl blwyddyn o gydgrynhoi'r genhedlaeth gyntaf o offer EUV, mae ASML wedi cymryd y cam nesaf gyda'i beiriannau o agorfa rifiadol uchel, a elwir yn EUV High-NAY model masnachol mwyaf cynrychioliadol yw'r Twinscan EXE:5200, a ystyrir heddiw fel yr offer lithograffeg mwyaf datblygedig yn y byd.

Yr allwedd i'r systemau newydd hyn yw'r cynnydd yn agorfa rifiadol y system optegol: mae'n mynd o NA = 0,33 mewn offer EUV cyfredol i NA = 0,55 yn yr Uchel-NAYn gyffredinol, mae hyn yn caniatáu argraffu manylion hyd yn oed yn fwy manwl ar yr un donfedd o 13,5 nm, gan wella datrysiad y patrymau sy'n cael eu trosglwyddo i'r wafer.

Diolch i'r gwelliant hwn, mae offer EUV NA uchel yn agor y drws i gynhyrchu cylchedau integredig y tu hwnt i'r trothwy masnachol o 3 nmcaniatáu nodau tua 2 nm a hyd yn oed y dechnoleg 18A (1,8 nm) y mae Intel yn bwriadu ei defnyddio. Ar ben hynny, mae ASML wedi optimeiddio'r systemau mecanyddol a thrin wafferi fel y gall un peiriant High-NA brosesu mwy na 200 o wafferi yr awr, sy'n hanfodol ar gyfer cynnal cost gystadleuol fesul sglodion.

Amcangyfrifir bod pris peiriant High-NA tua $300 miliwn yr unedMae hynny tua dwbl pris EUV cenhedlaeth gyntaf, sy'n costio tua 150 miliwn. Er hynny, i weithgynhyrchwyr sydd am aros ar flaen y gad, mae bron yn fuddsoddiad hanfodol.

Monopoli technolegol gydag effaith geo-wleidyddol enfawr

Yn y farchnad lithograffeg EUV, mae un ffaith na ellir ei gwadu: ASML yw'r unig wneuthurwr sy'n gallu cynhyrchu'r peiriannau hyn ar raddfa ddiwydiannol. Mae'r monopoli hwn yn trosi'n safle pŵer digynsail o fewn cadwyn werth lled-ddargludyddion.

Mae cewri fel TSMC, Samsung, ac Intel yn dibynnu ar offer EUV ASML i gynhyrchu eu sglodion mwyaf datblygedig. Tua chwarter o'r incwm Mae refeniw ASML eisoes yn dod yn uniongyrchol o werthu systemau EUV, heb gynnwys contractau gwasanaeth, uwchraddio, hyfforddiant a chynnal a chadw.

Mae gan y maes technolegol hwn hefyd dimensiwn geo-wleidyddol clirMae tensiynau rhwng yr Unol Daleithiau a Tsieina wedi rhoi lithograffeg EUV yng nghanol y ddadl. Mae Washington wedi rhoi pwysau ar yr Iseldiroedd i gyfyngu ar allforio ei pheiriannau mwyaf datblygedig i Tsieina, gyda'r nod o gyfyngu ar fynediad y wlad Asiaidd at nodau arloesol. Yn y cyfamser, mae gweithgynhyrchwyr Japaneaidd fel Canon yn archwilio dewisiadau eraill fel lithograffeg nanoprint (NIL), sydd yn ddamcaniaethol yn gallu cynhyrchu nodau 2nm, ond am y tro, EUV yw'r safon de facto ar flaen y gad technolegol.

Pam mae lithograffeg EUV mor bwysig ar gyfer sglodion heddiw

Y ffordd orau o ddeall perthnasedd lithograffeg EUV yw drwy edrych ar y dyfeisiau rydyn ni'n eu defnyddio bob dydd. Mae llawer o'r ffonau clyfar, oriorau clyfar, consolau gemau fideo a chyfrifiaduron yn fwy diweddar, y ddau yn eu dyluniad sglodion Fel yn eu gweithgynhyrchu, maent yn defnyddio CPUs, GPUs, SoCs a chofion a weithgynhyrchir gyda nodau 7nm, 5nm neu is, lle mae EUV eisoes yn hanfodol ar gyfer rhai haenau o'r broses.

Cyhoeddodd Samsung, er enghraifft, y byddai'n defnyddio EUV i gynhyrchu ei Sglodion 7nm o'r enw 7LPPBydd y technolegau hyn yn hanfodol ar gyfer galluogi rhwydweithiau 5G capasiti uchel, cymwysiadau deallusrwydd artiffisial uwch, Rhyngrwyd Pethau, a systemau gyrru ymreolaethol. Yn ôl y cwmni, mae'r newid i EUV yn caniatáu gostyngiad o hyd at 50% yn y defnydd o ynni, cynnydd o 20% mewn perfformiad, a gostyngiad o tua 40% mewn ôl troed o'i gymharu â thechnolegau aml-batrwm blaenorol yn seiliedig ar ArF.

Mae cwmnïau fel Apple, Huawei, a dylunwyr sglodion mawr eraill hefyd yn dibynnu arnyn nhw. Ffowndrïau sy'n defnyddio EUV i allu cynnig dyfeisiau cyflymach a mwy effeithlon. Ac nid pŵer crai yn unig yw hyn: mae lleihau'r defnydd o bŵer a gwres yn hanfodol er mwyn i ffonau symudol, gliniaduron a gweinyddion berfformio'n well o fewn terfynau thermol rhesymol.

Manteision allweddol lithograffeg EUV o'i gymharu â DUV

Y fantais fawr gyntaf o lithograffeg EUV yw'r posibilrwydd o argraffu nodweddion llawer llaiGyda thonfedd mor fyr ac agorfa rifiadol addas, gellir cynhyrchu strwythurau sydd, ar gyfer yr un maint sglodion, yn lluosi nifer y transistorau sydd ar gael sawl gwaith o'i gymharu â thechnolegau blaenorol.

Mae hyn yn cyfieithu i sglodion gyda capasiti prosesu mwy, cof mwy integredig Ac, yn anad dim, defnydd ynni sylweddol is fesul gweithrediad. Ar gyfer canolfannau data, rhwydweithiau cyfathrebu, neu gymwysiadau AI ar raddfa fawr, mae'r gwelliant hwn mewn effeithlonrwydd ynni yn cael effaith ddramatig ar gostau gweithredu.

Mae'r ail fantais yn gysylltiedig â phroses: mae EUV yn caniatáu lleihau nifer y camau lithograffig sydd eu hangen i gyflawni'r un patrwm. Er y gallai dulliau ArF a dulliau aml-batrwm ofyn am dri neu bedwar amlygiad gwahanol i gyflawni strwythur cymhleth, dim ond un sydd ei angen ar EUV yn aml. Mae hyn yn symleiddio'r llif gweithgynhyrchu, yn gwella cynnyrch, a gall leihau'r gost fesul sglodion yn y tymor canolig.

Ar ben hynny, drwy allu canolbwyntio mwy o ymarferoldeb ar arwynebedd llai, mae'n agor y drws i bensaernïaethau system-ar-sglodion sy'n gynyddol integredig, gyda blociau o CPU, GPU, cyflymyddion AI, cof, a rhesymeg benodol yn cydfodoli ar yr un darn o silicon - rhywbeth sy'n hyfyw dim ond pan fydd a dwysedd integreiddio uchel iawn.

Anfanteision a chyfyngiadau presennol EUV

Y prif rwystr i lithograffeg EUV, yn ddiamau, yw'r cost seryddol y peiriannau a'r seilwaith sydd ei angen arnynt. Nid ydym yn sôn am offer sy'n hawdd fwy na chant miliwn o ddoleri yr uned, ond hefyd am blanhigion cyfan wedi'u cynllunio o'u cwmpas, gydag ystafelloedd glân uwch, cyflenwadau pŵer pwerus iawn, a systemau cymorth hynod gymhleth.

Mae hyn yn golygu mai dim ond ychydig o ffowndrïau a chwmnïau cynhyrchu electronig o'r radd flaenaf—TSMC, Samsung, Intel, ac ychydig o rai eraill—all fforddio defnyddio EUV ar raddfa fawr. Mae llawer o weddill y diwydiant yn parhau i ddefnyddio lithograffeg DUV, sy'n fwy fforddiadwy ac yn berffaith ddigonol at ei ddiben bwriadedig. sglodion llai datblygedig fel y rhai a ddefnyddir mewn modurol, electroneg defnyddwyr sylfaenol, a llawer o systemau diwydiannol.

Yn ogystal, mae technoleg yn dal i lusgo heriau technegol Mae ffactorau pwysig yn cynnwys: pŵer y ffynonellau golau, hyd oes y haenau optegol yn erbyn ymbelydredd mor egni uchel, cymhlethdod y masgiau adlewyrchol, a'r angen i gynnal cynhyrchiant uchel heb sbarduno diffygion fesul wafer—materion sy'n parhau i gael eu mireinio genhedlaeth ar ôl cenhedlaeth.

ASML, Intel, Samsung a TSMC: cadwyn o groes-ddibyniaethau

Nid perthynas cleient-cyflenwr yn unig yw'r cydweithrediad rhwng ASML a gweithgynhyrchwyr sglodion mawr. Buddsoddodd Intel, er enghraifft, tua $4.000 biliwn mewn ASML yn 2012 i gefnogi datblygiad y peiriannau EUV cyntaf, sicrhau mynediad blaenoriaeth i'r dechnoleg, a chymryd rhan weithredol yn ei datblygiad.

Ar hyn o bryd mae ASML yn cyflwyno ei systemau EUV High-NA cyntaf i gwsmeriaid strategol. Mae'r system Twinscan EXE:5200 gyntaf wedi'i chyflwyno i ffatri Intel yn Hillsboro, Califfornia, symudiad sy'n cyd-fynd â chynllun y cwmni i gyrraedd ei nod 18A (1,8 nm) yn ail hanner y degawd. cau'r bwlch gyda TSMC a Samsung yn y ras am arweinyddiaeth dechnolegol.

Yn y cyfamser, mae Samsung a TSMC yn cystadlu am y capasiti cynhyrchu EUV sydd ar gael a blaenoriaeth mewn llwythi ASML. Mae oedi allforio—wedi'i waethygu gan bandemig COVID-19—wedi gorfodi o bryd i'w gilydd addasu mapiau ffyrdd, gohirio cynhyrchu peilot nodau fel 3nm ac ad-drefnu dyraniad wafers ymhlith cwsmeriaid gwerth uchel fel Apple, Qualcomm neu weithgynhyrchwyr ceir mawr.

Mae'r ecosystem cyfan hwn yn golygu bod argaeledd systemau EUV, cyfradd cyflenwi ASML, ac addasrwydd Cymer, ZEISS, a chyflenwyr eraill wedi dod yn ffactorau pendant wrth benderfynu Pa gwmnïau a pha wledydd sy'n gosod y cyflymder? yn y diwydiant lled-ddargludyddion cenhedlaeth nesaf.

Mae ffotolithograffeg uwchfioled eithafol wedi sefydlu ei hun fel yr allwedd i gadw Cyfraith Moore yn fyw, gan gynhyrchu sglodion 7, 5, a 3 nm, a mentro i 2 nm ac islaw, ond hefyd fel adnodd prin a hynod ddrud a reolir gan lond llaw o chwaraewyr. Mae deall ei ffiseg, ei heriau, a'i farchnad yn ein helpu i weld pam mae ein ffôn symudol, ein car, neu'r cwmwl rydyn ni'n ei ddefnyddio bob dydd mewn gwirionedd yn dibynnu ar ychydig o beiriannau enfawr sydd wedi'u gwasgaru ledled y byd ac ar y Gallu ASML a'i bartneriaid i barhau i wthio ffiniau technoleg EUV.

Erthygl gysylltiedig:

Mae Apple ac Intel yn paratoi cynghrair newydd i gynhyrchu'r sglodion cyfres-M nesaf.

Alberto Navarro

Rwy'n frwd dros dechnoleg sydd wedi troi ei ddiddordebau "geek" yn broffesiwn. Rwyf wedi treulio mwy na 10 mlynedd o fy mywyd yn defnyddio technoleg flaengar ac yn tinkering gyda phob math o raglenni allan o chwilfrydedd pur. Nawr rydw i wedi arbenigo mewn technoleg gyfrifiadurol a gemau fideo. Mae hyn oherwydd ers mwy na 5 mlynedd rwyf wedi bod yn ysgrifennu ar gyfer gwefannau amrywiol ar dechnoleg a gemau fideo, gan greu erthyglau sy'n ceisio rhoi'r wybodaeth sydd ei hangen arnoch mewn iaith sy'n ddealladwy i bawb.

Os oes gennych unrhyw gwestiynau, mae fy ngwybodaeth yn amrywio o bopeth sy'n ymwneud â system weithredu Windows yn ogystal ag Android ar gyfer ffonau symudol. Ac mae fy ymrwymiad i chi, rwyf bob amser yn barod i dreulio ychydig funudau a'ch helpu i ddatrys unrhyw gwestiynau sydd gennych yn y byd rhyngrwyd hwn.