- Litografi EUV menggunakan cahaya 13,5 nm dan optik vakum reflektif untuk mencetak pola skala nano yang tidak mungkin dilakukan dengan DUV konvensional.
- ASML mempertahankan monopoli yang efektif dalam mesin EUV, mengandalkan mitra utama seperti Cymer untuk sumber cahaya dan ZEISS untuk optik presisi tinggi.
- Peralatan EUV dan High-NA memungkinkan node 7, 5, 3 dan hingga 2 nm, yang mendukung 5G, AI, pusat data, dan aplikasi canggih dengan konsumsi energi yang lebih rendah.
- Biaya yang tinggi, kompleksitas teknis, dan ketegangan geopolitik membatasi akses ke EUV hanya pada beberapa pabrik di Asia dan Amerika Serikat, sehingga memengaruhi seluruh pasar semikonduktor.
Saat membahas masa depan chip, ponsel paling canggih, atau kecerdasan buatan yang akan datang, ada satu istilah yang selalu muncul dalam percakapan: fotolitografi ultraviolet ekstrem, juga disebut litografi EUVTeknologi ini telah menjadi hambatan sekaligus pendorong kemajuan semikonduktor tercanggih di dunia.
Meskipun konsepnya terdengar sangat teknis, memahami apa itu litografi EUV, bagaimana cara kerjanya, siapa yang mengendalikannya, dan apa dampaknya terhadap geopolitik dan ekonomi global adalah kunci untuk memahami mengapa terjadi kekurangan chip, mengapa beberapa negara berebut mesin-mesin ini, dan mengapa perusahaan seperti ASML, TSMC, Samsung atau Intel Mereka telah menjadi strategis dalam skala global.
Apa itu fotolitografi ultraviolet ekstrem (EUV)?
Dalam industri semikonduktor, litografi EUV mengacu pada sebuah teknik fotolitografi yang menggunakan cahaya ultraviolet ekstrem dengan panjang gelombang 13,5 nanometer, yaitu, di wilayah yang disebut sinar-X lunak dalam spektrum elektromagnetik. Panjang gelombang ini jauh lebih pendek daripada cahaya tampak (400-700 nm) dan juga daripada litografi ultraviolet dalam (DUV), yang biasanya beroperasi pada 248 nm (KrF) atau 193 nm (ArF).
Penggunaan panjang gelombang yang sangat pendek ini memungkinkan mendefinisikan pola yang jauh lebih kecil dan lebih padat pada wafer silikon, yang berarti memungkinkan untuk mengintegrasikan miliaran transistor ke dalam satu chip. Setiap generasi baru node litografi (7 nm, 5 nm, 3 nm, 2 nm, 1,8 nm…) hadir dengan chip yang lebih cepat, dengan kapasitas yang lebih besar dan konsumsi energi jauh lebih rendah.
Fotolitografi, baik dengan DUV maupun EUV, pada dasarnya terdiri dari memproyeksikan pola geometris ke wafer yang dilapisi dengan photoresist.Fotopolimer ini diubah ketika disinari secara selektif melalui masker (atau fotomask), sehingga area yang terpapar menjadi larut atau tidak larut, memungkinkan struktur mikroskopis diukir pada substrat. Dengan EUV, prinsip fisiknya sama, tetapi kompleksitas teknis sistem meningkat secara dramatis.
Fakta kuncinya adalah bahwa Panjang gelombang 13,5 nm lebih dari sepuluh kali lebih kecil. dibandingkan dengan yang digunakan pada pemindai ArF (193 nm). Berkat ini, peralatan EUV dapat mencetak detail yang lebih kecil dari 20 nm, sesuatu yang hanya dapat dicapai oleh litografi konvensional dengan teknik multi-pola yang sangat kompleks, lambat, dan mahal.
Bagaimana cahaya EUV dihasilkan dan ditangani
Menghasilkan cahaya 13,5 nm secara terkontrol dan dengan daya yang dibutuhkan adalah salah satu tantangan teknis utama dari teknologi iniDalam sistem saat ini, sebuah sumber laser CO₂ daya tinggi Alat ini menembakkan dua pulsa yang sangat cepat ke tetesan kecil cairan timah yang bergerak. Pulsa pertama mengubah bentuk tetesan tersebut; pulsa kedua yang lebih intens menguapkannya, membentuk plasma.
Plasma timah panas ini memancarkan radiasi EUV, yang ditangkap oleh cermin pengumpul dan dikirim ke bagian sistem optik lainnya. Seluruh proses ini berulang dengan kecepatan yang mengesankan, sekitar 50.000 kali per detikuntuk menghasilkan aliran cahaya yang cukup kuat untuk mempertahankan tingkat produksi industri.
Karena radiasi EUV diserap oleh udara, jalur yang ditempuhnya dari sumber ke wafer harus berada di dalam suatu ruang hampa. ruang vakum berkualitas tinggiSelain itu, partikel debu atau ketidakberaturan sekecil apa pun pada komponen optik dapat merusak gambar yang diproyeksikan, sehingga persyaratan untuk kebersihan, stabilitas mekanis, dan pengendalian getaran sangatlah ketat.
Optik reflektif, cermin mustahil, dan masker khusus.
Berbeda dengan litografi DUV yang menggunakan lensa transmisi dan masker kuarsa transparan, litografi EUV didasarkan pada optik yang sepenuhnya reflektifAlasannya sederhana: hampir semua material, termasuk kaca yang digunakan dalam lensa tradisional, menyerap cahaya dengan panjang gelombang 13,5 nm.
Alih-alih lensa, sistem EUV menggunakan sistem yang terdiri dari cermin multi-lapisan ultra-presisi Cermin-cermin ini memandu dan memfokuskan berkas cahaya dari sumber ke wafer. Cermin-cermin ini terdiri dari puluhan lapisan material berbeda yang disusun secara bergantian dengan presisi atom, sehingga memungkinkan mereka untuk memantulkan radiasi EUV dengan efisiensi setinggi mungkin dalam batas-batas fisika.
Namun, bahkan dengan solusi canggih ini, setiap cermin menyerap sebagian besar cahaya yang diterimanya. Sistem ASML saat ini menggunakan setidaknya dua cermin kondensor dan enam cermin proyeksi, dan secara bersama-sama, Sekitar 96% cahaya yang dipancarkan hilang.Hal ini mengharuskan sumber EUV memiliki kecerahan yang luar biasa sehingga, setelah semua pantulan, energi yang cukup mencapai wafer.
Masker yang digunakan juga berbeda: alih-alih berupa pelat transparan dengan area buram, EUV menggunakan masker reflektifLapisan-lapisan ini juga berlapis-lapis, dengan pola yang diukir di atasnya sebagai relief dan lapisan yang memodulasi pantulan. Setiap cacat pada masker atau cermin akan langsung mengakibatkan kesalahan pencetakan dan, oleh karena itu, wafer yang cacat.
Apa yang membuat mesin EUV ASML begitu istimewa?
Mesin fotolitografi EUV yang diproduksi oleh perusahaan Belanda ASML, secara harfiah, beberapa mesin paling kompleks yang pernah dibuatSatu unit EUV generasi pertama mengintegrasikan lebih dari 100.000 komponen, sekitar 3.000 kabel, 40.000 baut, dan sekitar dua kilometer kabel listrik internal. Dan semua ini dikoordinasikan dengan sempurna oleh perangkat lunak kontrol yang sangat canggih.
Tingkat kompleksitas ini membuat peralatannya menjadi sangat besar: setiap mesin menempati ruang yang mirip dengan ruang... bus kota Dan hal ini membutuhkan banyak modul tambahan, sistem pendingin, peralatan vakum, dan elektronik presisi. Selain itu, produk-produk tersebut tidak dikirim dalam keadaan sudah dirakit sepenuhnya; produk-produk tersebut diangkut dalam ratusan peti dan dirakit serta dikalibrasi di lokasi pabrik pelanggan.
Sebagian besar kesuksesan ASML terletak pada jaringan mitra teknologinya. Kira-kira 90% komponen mesin-mesin ini berasal dari produsen lain. tersebar di seluruh dunia. Di antara mereka, dua nama kunci menonjol: Cymer dan ZEISS, keduanya sangat penting agar litografi EUV dapat berfungsi sebagaimana mestinya.
Kontribusi ZEISS: optik di batas-batas fisika
Mitra kunci lainnya adalah ZEISS, perusahaan optik presisi tinggi bersejarah asal Jerman. ZEISS merancang dan memproduksi komponen optik reflektif peralatan EUV dari ASML, mulai dari cermin pengumpul awal hingga optik proyeksi kompleks yang mentransfer pola ke silikon.
Cermin-cermin ini harus bekerja dengan panjang gelombang sebesar... 13,5 nm menjaga keseragaman dan presisi dari bentuk gelombang yang ekstrem. Kerataan permukaannya sedemikian rupa sehingga, jika cermin diperbesar hingga sebesar suatu negara, ketidakrataannya akan kurang dari tinggi sehelai rumput. Setiap penyimpangan sekecil apa pun akan merusak pola dan membuat wafer tidak dapat digunakan.
Selain cermin, ZEISS juga terlibat dalam pengembangan sensor dan aktuator yang melakukan koreksi secara waktu nyata Sistem ini mendeteksi deformasi, pergeseran, atau getaran kecil yang mungkin terjadi selama pengoperasian. Sistem ini juga menyediakan perangkat lunak yang terus memantau perilaku sistem optik dan memastikan sistem tersebut tetap berada dalam toleransi yang sangat ketat.
EUV dengan NA tinggi: generasi baru yang menembus batas 3nm.
Setelah beberapa tahun mengkonsolidasikan generasi pertama peralatan EUV, ASML telah mengambil langkah selanjutnya dengan mesin-mesinnya yang bukaan numerik tinggi, dikenal sebagai High-NA EUVModel komersial yang paling representatif adalah Twinscan EXE:5200, yang saat ini dianggap sebagai peralatan litografi tercanggih di dunia.
Kunci dari sistem baru ini terletak pada peningkatan bukaan numerik sistem optik: dari NA = 0,33 pada peralatan EUV saat ini menjadi NA = 0,55 pada High-NASecara garis besar, hal ini memungkinkan pencetakan detail yang lebih halus pada panjang gelombang yang sama yaitu 13,5 nm, sehingga meningkatkan resolusi pola yang ditransfer ke wafer.
Berkat peningkatan ini, peralatan EUV High-NA membuka pintu bagi pembuatan sirkuit terpadu. melampaui ambang batas komersial 3 nmmengizinkan simpul sekitar 2 nm dan bahkan teknologi 18A (1,8 nm) yang rencananya akan digunakan Intel. Lebih lanjut, ASML telah mengoptimalkan sistem mekanik dan penanganan wafer sehingga satu mesin High-NA dapat memproses lebih dari 200 wafer per jam, yang sangat penting untuk mempertahankan biaya per chip yang kompetitif.
Harga mesin High-NA diperkirakan sekitar... $300 juta per unitItu kira-kira dua kali lipat harga EUV generasi pertama, yang harganya sekitar 150 juta. Meskipun begitu, bagi para produsen yang ingin tetap unggul, ini praktis merupakan investasi yang wajib dimiliki.
Monopoli teknologi dengan dampak geopolitik yang sangat besar.
Di pasar litografi EUV, ada satu fakta yang tak terbantahkan: ASML adalah satu-satunya produsen yang mampu memproduksi mesin-mesin ini. dalam skala industri. Monopoli ini menghasilkan posisi kekuasaan yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam rantai nilai semikonduktor.
Perusahaan raksasa seperti TSMC, Samsung, dan Intel mengandalkan peralatan EUV ASML untuk memproduksi chip tercanggih mereka. Kira-kira seperempat dari pendapatan Pendapatan ASML sudah berasal langsung dari penjualan sistem EUV, tidak termasuk kontrak layanan, peningkatan, pelatihan, dan pemeliharaan.
Domain teknologi ini juga memiliki dimensi geopolitik yang jelasKetegangan antara Amerika Serikat dan Tiongkok telah menempatkan litografi EUV di pusat perdebatan. Washington telah menekan Belanda untuk membatasi ekspor mesin-mesin tercanggihnya ke Tiongkok, dengan tujuan untuk mengekang akses negara Asia tersebut ke teknologi mutakhir. Sementara itu, produsen Jepang seperti Canon sedang menjajaki alternatif seperti litografi nanoimprint (NIL), yang secara teoritis mampu menghasilkan teknologi 2nm, tetapi untuk saat ini, EUV tetap menjadi standar de facto di garis depan teknologi.
Mengapa litografi EUV sangat penting untuk chip masa kini?
Relevansi litografi EUV paling baik dipahami dengan melihat perangkat yang kita gunakan sehari-hari. Banyak dari perangkat tersebut... ponsel pintar, jam tangan pintar, konsol video game, dan komputer. lebih baru, baik dalam hal desain chip Dalam proses manufakturnya, mereka menggunakan CPU, GPU, SoC, dan memori yang diproduksi dengan teknologi 7nm, 5nm, atau lebih rendah, di mana EUV sudah menjadi hal penting untuk lapisan-lapisan tertentu dalam proses tersebut.
Samsung, misalnya, mengumumkan penggunaan EUV untuk memproduksi produknya. Chip 7nm yang disebut 7LPPTeknologi ini akan menjadi fundamental untuk memungkinkan jaringan 5G berkapasitas tinggi, aplikasi kecerdasan buatan tingkat lanjut, Internet of Things, dan sistem penggerak otonom. Menurut perusahaan, peralihan ke EUV memungkinkan pengurangan konsumsi energi hingga 50%, peningkatan kinerja 20%, dan penurunan jejak sekitar 40% dibandingkan dengan teknologi berbasis ArF multi-pola sebelumnya.
Perusahaan seperti Apple, Huawei, dan perancang chip besar lainnya juga bergantung pada chip tersebut. Pabrik pengecoran yang menggunakan EUV untuk dapat menawarkan perangkat yang lebih cepat dan efisien. Dan ini bukan hanya tentang daya mentah: mengurangi konsumsi daya dan panas sangat penting agar ponsel, laptop, dan server dapat berkinerja lebih baik dalam batas termal yang wajar.
Keunggulan utama litografi EUV dibandingkan DUV
Keunggulan utama pertama dari litografi EUV adalah kemungkinan untuk mencetak fitur yang jauh lebih kecilDengan panjang gelombang yang sangat pendek dan bukaan numerik yang sesuai, struktur dapat diproduksi yang, untuk ukuran chip yang sama, melipatgandakan jumlah transistor yang tersedia beberapa kali lipat dibandingkan dengan teknologi sebelumnya.
Ini berarti keripik dengan kapasitas pemrosesan yang lebih besar, memori yang lebih terintegrasi Dan, yang terpenting, konsumsi energi per operasi jauh lebih rendah. Bagi pusat data, jaringan komunikasi, atau aplikasi AI skala besar, peningkatan efisiensi energi ini berdampak dramatis pada biaya operasional.
Keunggulan kedua berkaitan dengan proses: EUV memungkinkan mengurangi jumlah langkah litografi yang dibutuhkan untuk mencapai pola yang sama. Sementara metode ArF dan multi-pola mungkin memerlukan tiga atau empat paparan berbeda untuk mencapai struktur yang kompleks, EUV seringkali hanya memerlukan satu. Hal ini menyederhanakan alur manufaktur, meningkatkan hasil produksi, dan dapat mengurangi biaya per chip dalam jangka menengah.
Selain itu, dengan kemampuan untuk memusatkan lebih banyak fungsi pada area permukaan yang lebih kecil, hal ini membuka pintu bagi arsitektur sistem-on-a-chip yang semakin terintegrasi, dengan blok CPU, GPU, akselerator AI, memori, dan logika spesifik yang hidup berdampingan pada satu keping silikon yang sama—sesuatu yang hanya layak dilakukan jika... kepadatan integrasi yang sangat tinggi.
Kekurangan dan keterbatasan EUV saat ini
Kendala utama litografi EUV, tidak diragukan lagi, adalah... biaya mesin yang sangat mahal dan infrastruktur yang mereka butuhkan. Kita tidak hanya berbicara tentang peralatan yang harganya dengan mudah melebihi seratus juta dolar per unit, tetapi juga seluruh pabrik yang dirancang di sekitarnya, dengan ruang bersih canggih, pasokan daya yang sangat kuat, dan sistem pendukung yang sangat kompleks.
Ini berarti bahwa hanya beberapa foundry dan IDM papan atas—TSMC, Samsung, Intel, dan beberapa lainnya—yang mampu menerapkan EUV dalam skala besar. Sebagian besar industri lainnya terus menggunakan litografi DUV, yang lebih terjangkau dan sangat memadai untuk tujuan yang dimaksudkan. chip yang kurang canggih seperti mereka yang bekerja di bidang otomotif, elektronik konsumen dasar, dan banyak sistem industri.
Selain itu, teknologi masih menjadi penghambat. tantangan teknis Faktor-faktor penting meliputi: daya sumber cahaya, masa pakai lapisan optik terhadap radiasi berenergi tinggi tersebut, kompleksitas masker reflektif, dan kebutuhan untuk mempertahankan produktivitas tinggi tanpa memicu cacat per wafer—masalah-masalah yang terus disempurnakan dari generasi ke generasi.
ASML, Intel, Samsung, dan TSMC: rantai saling ketergantungan
Kolaborasi antara ASML dan produsen chip utama bukan hanya hubungan klien-pemasok. Intel, misalnya, berinvestasi sekitar... ASML senilai $4.000 miliar pada tahun 2012 untuk mendukung pengembangan mesin EUV pertama, memastikan akses prioritas terhadap teknologi tersebut, dan berpartisipasi aktif dalam pengembangannya.
Saat ini, ASML sedang mengirimkan sistem High-NA EUV pertamanya kepada pelanggan strategis. Sistem Twinscan EXE:5200 pertama telah dikirimkan ke pabrik Intel di Hillsboro, California, sebuah langkah yang sejalan dengan peta jalan perusahaan untuk mencapai node 18A (1,8 nm) pada paruh kedua dekade ini. Memperkecil kesenjangan dengan TSMC dan Samsung dalam persaingan untuk kepemimpinan teknologi.
Sementara itu, Samsung dan TSMC bersaing memperebutkan kapasitas produksi EUV yang tersedia dan prioritas dalam pengiriman ASML. Penundaan ekspor—yang diperparah oleh pandemi COVID-19—kadang-kadang memaksa menyesuaikan peta jalan, menunda produksi percontohan node seperti 3nm dan mengatur ulang alokasi wafer di antara pelanggan bernilai tinggi seperti Apple, Qualcomm, atau produsen mobil besar.
Seluruh ekosistem ini berarti bahwa ketersediaan sistem EUV, tingkat pengiriman ASML, dan kemampuan adaptasi Cymer, ZEISS, dan pemasok lainnya telah menjadi faktor penentu dalam menentukan Perusahaan dan negara mana yang menjadi pelopor? di industri semikonduktor generasi berikutnya.
Fotolitografi ultraviolet ekstrem telah memantapkan dirinya sebagai kunci untuk menjaga Hukum Moore tetap hidup, memproduksi chip 7, 5, dan 3 nm, dan mulai memasuki ukuran 2 nm dan di bawahnya, tetapi juga sebagai sumber daya yang langka dan sangat mahal yang dikendalikan oleh segelintir pemain. Memahami fisika, tantangan, dan pasarnya membantu kita melihat mengapa ponsel, mobil, atau cloud yang kita gunakan setiap hari sebenarnya bergantung pada beberapa mesin raksasa yang tersebar di seluruh dunia dan pada Kemampuan ASML dan para mitranya untuk terus mendorong batas-batas teknologi EUV..
Saya seorang penggila teknologi yang telah mengubah minat "geek"-nya menjadi sebuah profesi. Saya telah menghabiskan lebih dari 10 tahun hidup saya menggunakan teknologi mutakhir dan mengutak-atik semua jenis program hanya karena rasa ingin tahu. Sekarang saya memiliki spesialisasi dalam teknologi komputer dan video game. Hal ini karena selama lebih dari 5 tahun saya telah menulis untuk berbagai website tentang teknologi dan video game, membuat artikel yang berupaya memberikan informasi yang Anda butuhkan dalam bahasa yang dapat dimengerti oleh semua orang.
Jika Anda memiliki pertanyaan, pengetahuan saya berkisar dari segala sesuatu yang berhubungan dengan sistem operasi Windows serta Android untuk ponsel. Dan komitmen saya adalah kepada Anda, saya selalu bersedia meluangkan beberapa menit dan membantu Anda menyelesaikan pertanyaan apa pun yang mungkin Anda miliki di dunia internet ini.