Ekstrem ultraviolet (EUV) fotolitografi: Teknologien, der understøtter fremtiden for chips

Når man diskuterer fremtiden for chips, de mest kraftfulde mobiltelefoner eller den kommende kunstige intelligens, er der ét begreb, der altid dukker op i samtalen: ekstrem ultraviolet fotolitografi, også kaldet EUV-litografiDenne teknologi er blevet både flaskehalsen og drivkraften bag udviklingen af ​​verdens mest banebrydende halvledere.

Selvom konceptet lyder meget teknisk, er det vigtigt at forstå, hvad EUV-litografi er, hvordan det fungerer, hvem der kontrollerer det, og hvilken indflydelse det har på geopolitik og den globale økonomi, for at forstå, hvorfor der er mangel på chip, hvorfor nogle lande kæmper om disse maskiner, og hvorfor virksomheder som ... ASML, TSMC, Samsung eller Intel De er blevet strategiske på globalt plan.

Hvad er ekstrem ultraviolet (EUV) fotolitografi?

I halvlederindustrien refererer EUV-litografi til en fotolitografiteknik, der bruger ekstremt ultraviolet lys med en bølgelængde på 13,5 nanometer, det vil sige i området for såkaldte bløde røntgenstråler inden for det elektromagnetiske spektrum. Denne bølgelængde er meget kortere end den for synligt lys (400-700 nm) og også end den for dyb ultraviolet (DUV) litografi, som typisk fungerer ved 248 nm (KrF) eller 193 nm (ArF).

Brugen af ​​denne meget korte bølgelængde tillader definere meget mindre og tættere mønstre på siliciumskiver, hvilket betyder muligheden for at integrere milliarder af transistorer på en enkelt chip. Hver ny generation af litografiske noder (7 nm, 5 nm, 3 nm, 2 nm, 1,8 nm…) kommer med hurtigere chips med større kapacitet og en betydeligt lavere energiforbrug.

Fotolitografi, uanset om det er med DUV eller EUV, består grundlæggende af projicere et geometrisk mønster på en wafer belagt med en fotoresistDenne fotopolymer ændres, når den selektivt belyses gennem en maske (eller fotomaske), således at de eksponerede områder bliver opløselige eller uopløselige, hvilket gør det muligt at ætse mikroskopiske strukturer på substratet. Med EUV er det fysiske princip det samme, men systemets tekniske kompleksitet øges dramatisk.

En central kendsgerning er, at Bølgelængden på 13,5 nm er mere end ti gange mindre end den, der anvendes i ArF-scannere (193 nm). Takket være dette kan EUV-udstyr udskrive detaljer mindre end 20 nm, noget som konventionel litografi kun kunne opnå med meget komplekse, langsomme og dyre multimønsterteknikker.

Hvordan EUV-lys genereres og håndteres

At producere 13,5 nm lys på en kontrolleret måde og med den nødvendige effekt er en af ​​de største tekniske udfordringer ved denne teknologiI nuværende systemer, en højtydende CO₂-laserkilde Den affyrer to ekstremt hurtige pulser mod en lille, bevægelig dråbe flydende tin. Den første puls deformerer dråben; den anden, mere intense puls fordamper den og danner et plasma.

Dette varme tinplasma udsender EUV-stråling, som opfanges af et kollektorspejl og sendes til resten af ​​det optiske system. Hele processen gentages med en imponerende hastighed, ca. 50.000 gange i sekundetat generere en let strøm, der er intens nok til at opretholde en industriel produktionshastighed.

Da EUV-stråling absorberes af luft, skal den vej, den bevæger sig fra kilden til waferen, være inden for en vakuumkammer af høj kvalitetDerudover kan støvpartikler eller minimale uregelmæssigheder i de optiske komponenter ødelægge det projicerede billede, så kravene til renlighed, mekanisk stabilitet og vibrationskontrol er ekstreme.

Reflekterende optik, umulige spejle og specielle masker

I modsætning til DUV-litografi, som bruger transmissionslinser og transparente kvartsmasker, er EUV-litografi baseret på fuldt reflekterende optikÅrsagen er enkel: stort set alle materialer, inklusive det glas, der bruges i traditionelle linser, absorberer lys på 13,5 nm.

I stedet for linser bruger EUV-systemer et system bestående af ultrapræcisionsspejle i flere lag Disse spejle styrer og fokuserer strålen fra kilden til waferen. De er opbygget af snesevis af skiftende lag af forskellige materialer, der er aflejret med atomar præcision, hvilket gør det muligt for dem at reflektere EUV-stråling med den højest mulige effektivitet inden for fysikkens rammer.

Men selv med disse sofistikerede løsninger absorberer hvert spejl en betydelig del af det lys, det modtager. ASMLs nuværende systemer bruger mindst to kondensatorspejle og seks projektionsspejle, og tilsammen... Cirka 96% af det udsendte lys går tabt.Dette kræver, at EUV-kilden er ekstraordinært lys, så der efter alle refleksioner når nok energi waferen.

Maskerne er også forskellige: i stedet for at være gennemsigtige plader med uigennemsigtige områder bruger EUV'er reflekterende maskerDisse er også flerlagede med mønstre indgraveret som relieffer og belægninger, der modulerer refleksion. Enhver defekt i masken eller spejlene resulterer straks i trykfejl og dermed defekte wafere.

Hvad gør ASMLs EUV-maskiner så specielle?

EUV-fotolitografimaskinerne, der produceres af det hollandske firma ASML, er bogstaveligt talt nogle af de mest komplekse maskiner, der nogensinde er byggetEn enkelt EUV-enhed af første generation integrerer over 100.000 dele, omkring 3.000 kabler, 40.000 bolte og omkring to kilometer intern elektrisk ledningsføring. Og alt dette er perfekt koordineret af ekstremt sofistikeret styresoftware.

Dette kompleksitetsniveau gør udstyret gigantisk: hver maskine optager en plads svarende til en bybus Og det kræver adskillige hjælpemoduler, kølesystemer, vakuumudstyr og præcisionselektronik. Derudover sendes de ikke fuldt samlede; de ​​transporteres i hundredvis af kasser og samles og kalibreres på stedet på kundens fabrikker.

Meget af ASMLs succes ligger i dets netværk af teknologipartnere. Cirka 90% af komponenterne i disse maskiner kommer fra andre producenter distribueret over hele verden. Blandt dem skiller to nøglenavne sig ud: Cymer og ZEISS, begge absolut nødvendige for at EUV-litografi kan fungere som den skal.

ZEISS' bidrag: optik på fysikkens grænser

Den anden vigtige partner er ZEISS, den historiske tyske virksomhed inden for højpræcisionsoptik. ZEISS designer og fremstiller EUV-udstyrs reflekterende optiske komponenter fra ASML, fra de indledende opsamlingsspejle til den komplekse projektionsoptik, der overfører mønsteret til silicium.

Disse spejle skal fungere med en bølgelængde på 13,5 nm, der opretholder ensartethed og præcision af den ekstreme bølgeform. Overfladen er fladhedt, at hvis et spejl blev forstørret til størrelsen af ​​et land, ville uregelmæssighederne være mindre end højden af ​​et græsstrå. Enhver minimalt mærkbar afvigelse ville ødelægge mønsteret og gøre waferen ubrugelig.

Udover spejle er ZEISS involveret i udviklingen af sensorer og aktuatorer, der korrigerer i realtid Systemet registrerer mindre deformationer, forskydninger eller vibrationer, der kan opstå under drift. Det leverer også software, der løbende overvåger det optiske systems adfærd og sikrer, at det forbliver inden for usædvanligt snævre tolerancer.

High-NA EUV: den nye generation, der bryder 3nm-barrieren

Efter flere år med konsolidering af den første generation af EUV-udstyr har ASML taget det næste skridt med sine maskiner af høj numerisk blændeåbning, kendt som High-NA EUVDen mest repræsentative kommercielle model er Twinscan EXE:5200, der i dag betragtes som det mest avancerede litografiudstyr i verden.

Nøglen til disse nye systemer ligger i stigningen i den numeriske apertur af det optiske system: den går fra NA = 0,33 i nuværende EUV-udstyr til NA = 0,55 i High-NAGenerelt set muliggør dette udskrivning af endnu finere detaljer ved den samme bølgelængde på 13,5 nm, hvilket forbedrer opløsningen af ​​de mønstre, der overføres til waferen.

Takket være denne forbedring åbner High-NA EUV-udstyr døren for fremstilling af integrerede kredsløb ud over den kommercielle tærskel på 3 nmtillader knuder omkring 2 nm og endda 18A (1,8 nm) teknologien, som Intel planlægger at bruge. Derudover har ASML optimeret de mekaniske systemer og waferhåndteringssystemerne, så en enkelt High-NA-maskine kan behandle mere end 200 wafere i timen, hvilket er afgørende for at opretholde en konkurrencedygtig pris pr. chip.

Prisen på en High-NA-maskine anslås at være omkring 300 millioner dollars pr. enhedDet er omtrent dobbelt så meget som prisen på en førstegenerations EUV, som koster omkring 150 millioner. Alligevel er det praktisk talt en uundværlig investering for producenter, der ønsker at være på forkant med udviklingen.

Et teknologisk monopol med enorm geopolitisk indflydelse

På markedet for EUV-litografi er der én ubestridelig kendsgerning: ASML er den eneste producent, der er i stand til at producere disse maskiner i industriel skala. Dette monopol resulterer i en hidtil uset magtposition inden for halvlederværdikæden.

Giganter som TSMC, Samsung og Intel bruger ASMLs EUV-udstyr til at producere deres mest avancerede chips. Cirka en fjerdedel af indkomsten ASMLs indtægter kommer allerede direkte fra salg af EUV-systemer, eksklusive servicekontrakter, opgraderinger, træning og vedligeholdelse.

Dette teknologiske domæne har også en en klar geopolitisk dimensionSpændinger mellem USA og Kina har placeret EUV-litografi i centrum af debatten. Washington har presset Holland til at begrænse eksporten af ​​sine mest avancerede maskiner til Kina med det formål at begrænse det asiatiske lands adgang til banebrydende noder. I mellemtiden udforsker japanske producenter som Canon alternativer såsom nanoimprint-litografi (NIL), der teoretisk set er i stand til at producere 2nm-noder, men for nu er EUV stadig de facto-standarden i den teknologiske spids.

Hvorfor EUV-litografi er så vigtig for nutidens chips

Relevansen af ​​EUV-litografi forstås bedst ved at se på de enheder, vi bruger dagligt. Mange af de smartphones, smartwatches, spillekonsoller og computere nyere, begge i deres chipdesign Ligesom i deres produktion bruger de CPU'er, GPU'er, SoC'er og hukommelser fremstillet med 7nm, 5nm eller lavere noder, hvor EUV allerede er essentielt for visse lag af processen.

Samsung annoncerede for eksempel brugen af ​​EUV til at fremstille sine 7nm chips kaldet 7LPPDisse teknologier vil være fundamentale for at muliggøre højkapacitets 5G-netværk, avancerede kunstig intelligens-applikationer, Tingenes Internet og autonome køresystemer. Ifølge virksomheden giver skiftet til EUV mulighed for en reduktion af energiforbruget på op til 50 %, en stigning i ydeevnen på 20 % og et fald i fodaftryk på cirka 40 % sammenlignet med tidligere multi-mønster ARF-baserede teknologier.

Virksomheder som Apple, Huawei og andre store chipdesignere er også afhængige af dem. Støberier, der bruger EUV at kunne tilbyde hurtigere og mere effektive enheder. Og det handler ikke kun om rå strøm: reduktion af strømforbrug og varme er afgørende for, at mobiltelefoner, bærbare computere og servere kan yde bedre inden for rimelige termiske grænser.

Vigtigste fordele ved EUV-litografi versus DUV

Den første store fordel ved EUV-litografi er muligheden for udskriv meget mindre funktionerMed en så kort bølgelængde og en passende numerisk apertur kan der fremstilles strukturer, der for den samme chipstørrelse mangedobler antallet af tilgængelige transistorer med flere gange sammenlignet med tidligere teknologier.

Dette omsættes til chips med større processorkapacitet, mere integreret hukommelse Og frem for alt et betydeligt lavere energiforbrug pr. operation. For datacentre, kommunikationsnetværk eller store AI-applikationer har denne forbedring af energieffektiviteten en dramatisk indvirkning på driftsomkostningerne.

Den anden fordel er procesrelateret: EUV tillader reducere antallet af nødvendige litografiske trin for at opnå det samme mønster. Mens ArF- og multimønstermetoder kan kræve tre eller fire forskellige eksponeringer for at opnå en kompleks struktur, kræver EUV ofte kun én. Dette forenkler fremstillingsflowet, forbedrer udbyttet og kan reducere omkostningerne pr. chip på mellemlang sigt.

Ved at kunne koncentrere mere funktionalitet på et mindre overfladeareal åbner det desuden døren for stadig mere integrerede system-on-a-chip-arkitekturer, hvor blokke af CPU, GPU, AI-acceleratorer, hukommelse og specifik logik sameksisterer på det samme stykke silicium – noget der kun er levedygtigt, når en meget høj integrationstæthed.

De nuværende ulemper og begrænsninger ved EUV

Den største hindring for EUV-litografi er uden tvivl astronomiske omkostninger ved maskiner og den infrastruktur, de kræver. Vi taler ikke kun om udstyr, der nemt overstiger hundrede millioner dollars pr. enhed, men også hele anlæg designet omkring dem, med avancerede renrum, meget kraftfulde strømforsyninger og ekstremt komplekse supportsystemer.

Det betyder, at kun et par af de bedste støberier og IDM'er – TSMC, Samsung, Intel og et par andre – har råd til at implementere EUV i stor skala. En stor del af resten af ​​industrien bruger fortsat DUV-litografi, som er mere overkommelig og fuldt ud tilstrækkelig til det tilsigtede formål. mindre avancerede chips såsom dem, der anvendes i bilindustrien, grundlæggende forbrugerelektronik og mange industrielle systemer.

Derudover trækker teknologien stadig ud tekniske udfordringer Vigtige faktorer inkluderer: lyskildernes styrke, de optiske belægningers levetid mod sådan højenergistråling, de reflekterende maskers kompleksitet og behovet for at opretholde høj produktivitet uden at udløse defekter pr. wafer – problemstillinger, der fortsat forfines generation efter generation.

ASML, Intel, Samsung og TSMC: en kæde af krydsafhængigheder

Samarbejdet mellem ASML og store chipproducenter er ikke blot et kunde-leverandørforhold. Intel investerede for eksempel omkring 4.000 milliarder dollars i ASML i 2012 at støtte udviklingen af ​​de første EUV-maskiner, sikre prioriteret adgang til teknologien og aktivt deltage i dens udvikling.

ASML leverer i øjeblikket sine første High-NA EUV-systemer til strategiske kunder. Det første Twinscan EXE:5200-system er blevet leveret til en Intel-fabrik i Hillsboro, Californien, et skridt der stemmer overens med virksomhedens plan om at nå sin 18A (1,8 nm) node i anden halvdel af årtiet. lukke hullet til TSMC og Samsung i kapløbet om teknologisk lederskab.

Samsung og TSMC kæmper i mellemtiden om både tilgængelig EUV-produktionskapacitet og prioritet i ASML-leverancer. Eksportforsinkelser - forværret af COVID-19-pandemien - har lejlighedsvis tvunget justere køreplaner, udsætte pilotproduktion af noder som 3nm og omorganisere allokeringen af ​​wafere blandt kunder med høj værdi som Apple, Qualcomm eller store bilproducenter.

Hele dette økosystem betyder, at tilgængeligheden af ​​EUV-systemer, leveringshastigheden af ​​ASML og tilpasningsevnen hos Cymer, ZEISS og andre leverandører er blevet afgørende faktorer for at bestemme Hvilke virksomheder og hvilke lande sætter tempoet? i næste generations halvlederindustri.

Ekstrem ultraviolet fotolitografi har etableret sig som nøglen til at holde Moores lov i live, og har fremstillet chips på 7, 5 og 3 nm, og vovet sig ind i 2 nm og derunder, men også som en knap og ekstremt dyr ressource kontrolleret af en håndfuld aktører. Forståelsen af ​​dens fysik, dens udfordringer og dens marked hjælper os med at se, hvorfor vores mobiltelefon, vores bil eller den sky, vi bruger dagligt, faktisk afhænger af et par gigantiske maskiner spredt rundt om i verden og på... ASML og dets partneres evne til fortsat at flytte grænserne for EUV-teknologi.

Relateret artikel:

Apple og Intel forbereder en ny alliance til at producere de næste M-serie chips.

Alberto Navarro

Jeg er en teknologientusiast, der har vendt sine "nørde" interesser til et erhverv. Jeg har brugt mere end 10 år af mit liv på at bruge avanceret teknologi og pille ved alle slags programmer af ren nysgerrighed. Nu har jeg specialiseret mig i computerteknologi og videospil. Dette skyldes, at jeg i mere end 5 år har skrevet til forskellige hjemmesider om teknologi og videospil, og lavet artikler, der søger at give dig den information, du har brug for, på et sprog, der er forståeligt for alle.

Har du spørgsmål, så spænder min viden fra alt relateret til Windows styresystemet samt Android til mobiltelefoner. Og mit engagement er over for dig, jeg er altid villig til at bruge et par minutter og hjælpe dig med at løse eventuelle spørgsmål, du måtte have i denne internetverden.