פוטוליתוגרפיה אולטרה סגולה קיצונית (EUV): הטכנולוגיה שתעמוד בבסיס עתיד השבבים

כשדנים בעתיד השבבים, הטלפונים הניידים החזקים ביותר, או הבינה המלאכותית העתידית, יש מונח אחד שתמיד עולה בשיחה: פוטוליתוגרפיה אולטרה סגולה קיצונית, המכונה גם ליתוגרפיה EUVטכנולוגיה זו הפכה הן לצוואר הבקבוק והן לכוח המניע מאחורי קידום מוליכים למחצה המתקדמים ביותר בעולם.

למרות שהקונספט נשמע טכני מאוד, הבנת מהי ליתוגרפיה של EUV, כיצד היא פועלת, מי שולט בה, ומה ההשפעה שלה על הגיאופוליטיקה והכלכלה העולמית היא המפתח להבנת הסיבה למחסור בשבבים, מדוע מדינות מסוימות רבות על המכונות הללו, ומדוע חברות כמו... ASML, TSMC, סמסונג או אינטל הם הפכו לאסטרטגיים בקנה מידה עולמי.

מהי פוטוליתוגרפיה באולטרה סגול קיצוני (EUV)?

בתעשיית המוליכים למחצה, ליתוגרפיה של EUV מתייחסת ל... טכניקת פוטוליוגרפיה המשתמשת באור אולטרה סגול קיצוני עם אורך גל של 13,5 ננומטר, כלומר, באזור של מה שנקרא קרני רנטגן רכות בתוך הספקטרום האלקטרומגנטי. אורך גל זה קצר בהרבה מזה של אור נראה (400-700 ננומטר) וגם מזה של ליתוגרפיה אולטרה סגולה עמוקה (DUV), אשר פועלת בדרך כלל ב-248 ננומטר (KrF) או 193 ננומטר (ArF).

השימוש באורך גל קצר מאוד זה מאפשר מגדירים דפוסים קטנים וצפופים הרבה יותר על פרוסות סיליקון, מה שמתורגם לאפשרות של שילוב מיליארדי טרנזיסטורים על שבב יחיד. כל דור חדש של צמתים ליתוגרפיים (7 ננומטר, 5 ננומטר, 3 ננומטר, 2 ננומטר, 1,8 ננומטר...) מגיע עם שבבים מהירים יותר, עם קיבולת גדולה יותר ו... צריכת אנרגיה נמוכה משמעותית.

פוטוליוגרפיה, בין אם עם DUV או EUV, מורכבת בעיקרון מ להקרין תבנית גיאומטרית על גבי פרוסה מצופה בפוטורזיסטפוטופולימר זה משתנה כאשר הוא מואר באופן סלקטיבי דרך מסכה (או פוטו-מסכה), כך שהאזורים החשופים הופכים למסיסים או בלתי מסיסים, מה שמאפשר חריטה של ​​מבנים מיקרוסקופיים על המצע. עם EUV, העיקרון הפיזיקלי זהה, אך המורכבות הטכנית של המערכת עולה באופן דרמטי.

עובדה מרכזית היא ש אורך הגל של 13,5 ננומטר קטן פי עשרה ויותר מזה המשמש בסורקי ArF (193 ננומטר). הודות לכך, ציוד EUV יכול להדפיס פרטים קטנים מ-20 ננומטר, דבר שליתוגרפיה קונבנציונלית יכלה להשיג רק בטכניקות מרובות תבניות מורכבות, איטיות ויקרות מאוד.

כיצד נוצר ומטופל אור EUV

הפקת אור 13,5 ננומטר בצורה מבוקרת ועם ההספק הדרוש היא אחד האתגרים הטכניים העיקריים של טכנולוגיה זובמערכות הנוכחיות, א מקור לייזר CO₂ בעל עוצמה גבוהה הוא יורה שתי פעימות מהירות ביותר על טיפה זעירה ונעה של בדיל נוזלי. הפעימה הראשונה מעוותת את הטיפה; הפעימה השנייה, החזקה יותר, מאדה אותה ויוצרת פלזמה.

פלזמה חמה זו של פח פולטת קרינת EUV, אשר נלכדת על ידי מראה קולטת ונשלחת לשאר המערכת האופטית. כל התהליך הזה חוזר על עצמו בקצב מרשים, בסביבות 50.000 פעמים בשנייהכדי לייצר זרימה קלה עזה מספיק כדי לשמור על קצב ייצור תעשייתי.

מכיוון שקרינת EUV נספגת על ידי אוויר, הנתיב שהיא עוברת מהמקור לפלרלית חייב להיות בתוך תא ואקום איכותייתר על כן, כל חלקיק אבק או כל אי-סדירות מינימלית ברכיבים האופטיים עלולים להרוס את התמונה המוקרנת, ולכן הדרישות לניקיון, יציבות מכנית ובקרת רעידות הן קיצוניות.

אופטיקה מחזירת אור, מראות בלתי אפשריות ומסכות מיוחדות

בניגוד לליתוגרפיה של DUV, המשתמשת בעדשות העברת מידע ובמסכות קוורץ שקופות, ליתוגרפיה של EUV מבוססת על אופטיקה מחזירת אור מלאהסיבה פשוטה: כמעט כל החומרים, כולל הזכוכית המשמשת בעדשות מסורתיות, סופגים אור של 13,5 ננומטר.

במקום עדשות, מערכות EUV משתמשות במערכת המורכבת מ מראות רב-שכבתיות מדויקות במיוחד מראות אלו מכוונות וממקדות את הקרן מהמקור ועד לפרוסת האלקטרונים. הן מורכבות מעשרות שכבות מתחלפות של חומרים שונים המופקדות בדיוק אטומי, מה שמאפשר להן להחזיר קרינת EUV ביעילות הגבוהה ביותר האפשרית במסגרת גבולות הפיזיקה.

עם זאת, אפילו עם פתרונות מתוחכמים אלה, כל מראה סופגת חלק משמעותי מהאור שהיא מקבלת. המערכות הנוכחיות של ASML משתמשות בלפחות שתי מראות קונדנסר ושש מראות הקרנה, ויחד, כ-96% מהאור הנפלט אובד.זה דורש שמקור ה-EUV יהיה בהיר במיוחד, כך שאחרי כל ההשתקפויות, מספיק אנרגיה תגיע לפלח האלקטרוני.

המסכות גם שונות: במקום להיות לוחות שקופים עם אזורים אטומים, EUVs משתמשים מסכות מחזירות אורגם אלה רב-שכבתיים, עם דוגמאות חרוטות עליהם כתבליטים וציפויים המווסתים את ההשתקפות. כל פגם במסכה או במראות גורם מיד לשגיאות הדפסה, ולכן, ופלים פגומים.

מה הופך את מכונות ה-EUV של ASML לכל כך מיוחדות?

מכונות הפוטוליתוגרפיה EUV המיוצרות על ידי החברה ההולנדית ASML הן, פשוטו כמשמעו, כמה מהמכונות המורכבות ביותר שנבנו אי פעםיחידת EUV אחת מהדור הראשון משלבת מעל 100.000 חלקים, כ-3.000 כבלים, 40.000 ברגים וכשני קילומטרים של חיווט חשמלי פנימי. וכל זה מתואם בצורה מושלמת על ידי תוכנת בקרה מתוחכמת ביותר.

רמת מורכבות זו הופכת את הציוד לעצום: כל מכונה תופסת שטח דומה לזה של אוטובוס עירוני וזה דורש מודולים עזר מרובים, מערכות קירור, ציוד ואקום ואלקטרוניקה מדויקת. יתר על כן, הם אינם נשלחים מורכבים במלואם; הם מועברים במאות ארגזים ומורכבים ומכוילים באתר במפעלי הלקוח.

חלק ניכר מהצלחתה של ASML טמון ברשת שותפי הטכנולוגיה שלה. בערך 90% מהרכיבים של מכונות אלה מגיעים מיצרנים אחרים מופץ ברחבי העולם. ביניהם, שני שמות מרכזיים בולטים: Cymer ו-ZEISS, שניהם חיוניים לחלוטין לתפקוד תקין של ליתוגרפיה של EUV.

תרומתה של ZEISS: אופטיקה בגבולות הפיזיקה

השותפה המרכזית השנייה היא ZEISS, חברת האופטיקה הגרמנית ההיסטורית המתמחה בדיוק גבוה. ZEISS מתכננת ומייצרת את רכיבים אופטיים מחזירי אור של ציוד EUV מ-ASML, ממראות האיסוף הראשוניות ועד לאופטיקה המורכבת של ההקרנה שמעבירה את התבנית לסיליקון.

מראות אלה חייבות לעבוד עם אורך גל של 13,5 ננומטר לשמירה על אחידות ודיוק של צורת הגל הקיצונית. שטוחות פני השטח היא כזו שאם מראה תוגדל לגודל של קרקע, אי-הסדרים יהיו קטנים מגובהו של עלה דשא. כל סטייה מינימלית מורגשת תפגע בתבנית ותהפוך את הוופל לבלתי שמיש.

בנוסף למראות, ZEISS מעורבת בפיתוח חיישנים ומפעילים שמתקנים בזמן אמת המערכת מזהה עיוותים, תזוזות או רעידות קלות שעלולות להתרחש במהלך הפעולה. היא גם מספקת תוכנה המנטרת באופן רציף את התנהגות המערכת האופטית ומוודאת שהיא נשארת בטווח סבילות צר במיוחד.

EUV בעל NA גבוה: הדור החדש ששובר את מחסום ה-3 ננומטר

לאחר מספר שנים של איחוד הדור הראשון של ציוד EUV, ASML עשתה את הצעד הבא עם המכונות שלה צמצם מספרי גבוה, המכונה High-NA EUVהדגם המסחרי המייצג ביותר הוא ה-Twinscan EXE:5200, הנחשב כיום לציוד הליתוגרפיה המתקדם ביותר בעולם.

המפתח למערכות חדשות אלו טמון בהגדלת הצמצם המספרי של המערכת האופטית: הוא עולה מ-NA = 0,33 בציוד EUV הנוכחי ל- NA = 0,55 ב-High-NAבמונחים רחבים, זה מאפשר הדפסת פרטים עדינים עוד יותר באותו אורך גל של 13,5 ננומטר, ובכך משפר את הרזולוציה של התבניות המועברות לפלח האלקטרוני.

הודות לשיפור זה, ציוד High-NA EUV פותח את הדלת לייצור מעגלים משולבים. מעבר לסף המסחרי של 3 ננומטר, מאפשר צמתים סביב 2 ננומטר ואפילו את טכנולוגיית 18A (1,8 ננומטר) שאינטל מתכננת להשתמש בה. יתר על כן, ASML ביצעה אופטימיזציה של מערכות המכניות וטיפול בפרוסות, כך שמכונה אחת בעלת רמת עיבוד גבוהה (High-NA) יכולה לעבד יותר מ-200 פרוסות בשעה, דבר קריטי לשמירה על עלות תחרותית לשבב.

מחירה של מכונה High-NA מוערך בסביבות 300 מיליון דולר ליחידהזה בערך כפול ממחירו של רכב שטח מסחרי (EUV) מהדור הראשון, שעולה כ-150 מיליון. למרות זאת, עבור יצרנים שרוצים להישאר צעד אחד קדימה, מדובר בהשקעה הכרחית.

מונופול טכנולוגי בעל השפעה גיאופוליטית עצומה

בשוק הליתוגרפיה של EUV, יש עובדה אחת שאי אפשר להכחיש: ASML היא היצרנית היחידה המסוגלת לייצר מכונות אלה בקנה מידה תעשייתי. מונופול זה מתורגם לעמדת כוח חסרת תקדים בשרשרת הערך של מוליכים למחצה.

ענקיות כמו TSMC, סמסונג ואינטל מסתמכות על ציוד ה-EUV של ASML כדי לייצר את השבבים המתקדמים ביותר שלהן. בערך רבע מההכנסה הכנסותיה של ASML כבר מגיעות ישירות ממכירת מערכות EUV, לא כולל חוזי שירות, שדרוגים, הדרכה ותחזוקה.

לתחום טכנולוגי זה יש גם ממד גיאופוליטי ברורהמתיחות בין ארצות הברית לסין הציבה את ליתוגרפיית EUV במרכז הוויכוח. וושינגטון לחצה על הולנד להגביל את ייצוא המכונות המתקדמות ביותר שלה לסין, במטרה לרסן את הגישה של המדינה האסייתית לצמתים מתקדמים. בינתיים, יצרנים יפניים כמו קנון בוחנים חלופות כמו ליתוגרפיה ננו-אימפרינטית (NIL), המסוגלת תיאורטית לייצר צמתים ב-2 ננומטר, אך לעת עתה, EUV נותר הסטנדרט דה פקטו בחזית הטכנולוגית.

מדוע ליתוגרפיה של EUV כה חשובה לשבבים של ימינו

את הרלוונטיות של ליתוגרפיה של EUV ניתן להבין בצורה הטובה ביותר על ידי התבוננות במכשירים בהם אנו משתמשים מדי יום. רבים מה סמארטפונים, שעונים חכמים, קונסולות משחקי וידאו ומחשבים עדכניים יותר, שניהם ב עיצוב שבב כמו בייצור שלהם, הם משתמשים במעבדים, כרטיסי מסך, שבבי על גבי (SoC) וזיכרונות המיוצרים עם צמתים בתהליך של 7 ננומטר, 5 ננומטר או פחות, כאשר EUV כבר חיוני עבור שכבות מסוימות של התהליך.

סמסונג, לדוגמה, הכריזה על שימוש ב-EUV לייצור שלה. שבבי 7nm הנקראים 7LPPטכנולוגיות אלו יהיו בסיסיות לאפשרות רשתות 5G בעלות קיבולת גבוהה, יישומי בינה מלאכותית מתקדמים, האינטרנט של הדברים ומערכות נהיגה אוטונומיות. לדברי החברה, המעבר ל-EUV מאפשר הפחתה של עד 50% בצריכת האנרגיה, עלייה של 20% בביצועים והפחתה של כ-40% בטביעת הרגל בהשוואה לטכנולוגיות קודמות מבוססות ArF מרובות דפוסים.

חברות כמו אפל, וואווי ומעצבי שבבים גדולים אחרים גם מסתמכים עליהם. בתי יציקה המשתמשים ב-EUV כדי להיות מסוגלים להציע מכשירים מהירים ויעילים יותר. וזה לא רק עניין של אנרגיה גולמית: הפחתת צריכת החשמל והחום היא קריטית כדי שטלפונים ניידים, מחשבים ניידים ושרתים יפעלו טוב יותר במסגרת גבולות תרמיים סבירים.

יתרונות עיקריים של ליתוגרפיה של EUV לעומת DUV

היתרון העיקרי הראשון של ליתוגרפיה של EUV הוא האפשרות של הדפס תכונות קטנות בהרבהעם אורך גל כה קצר וצמצם מספרי מתאים, ניתן לייצר מבנים אשר, עבור אותו גודל שבב, יכפילו את מספר הטרנזיסטורים הזמינים פי כמה בהשוואה לטכנולוגיות קודמות.

זה מתורגם לשבבים עם קיבולת עיבוד גדולה יותר, זיכרון משולב יותר ומעל הכל, צריכת אנרגיה נמוכה משמעותית לכל פעולה. עבור מרכזי נתונים, רשתות תקשורת או יישומי בינה מלאכותית בקנה מידה גדול, לשיפור זה ביעילות האנרגיה יש השפעה דרמטית על עלויות התפעול.

היתרון השני קשור לתהליך: EUV מאפשר להפחית את מספר השלבים הליטוגרפיים הנדרשים כדי להשיג את אותה תבנית. בעוד ששיטות ArF ושיטות מרובות תבניות עשויות לדרוש שלוש או ארבע חשיפות שונות כדי להשיג מבנה מורכב, EUV דורש לעתים קרובות רק אחת. זה מפשט את זרימת הייצור, משפר את התפוקה ויכול להפחית את העלות לשבב בטווח הבינוני.

יתר על כן, על ידי היכולת לרכז פונקציונליות רבה יותר על שטח פנים קטן יותר, הדבר פותח את הדלת לארכיטקטורות מערכת על שבב משולבות יותר ויותר, עם בלוקים של מעבד, כרטיס מסך, מאיצי בינה מלאכותית, זיכרון ולוגיקה ספציפית המתקיימים יחד על אותה פיסת סיליקון - דבר בר-קיימא רק כאשר... צפיפות אינטגרציה גבוהה מאוד.

החסרונות והמגבלות הנוכחיים של EUV

המכשול העיקרי לליתוגרפיה של EUV הוא, ללא ספק, עלות אסטרונומית של המכונות והתשתית שהם דורשים. אנחנו לא מדברים רק על ציוד שעולה בקלות על מאה מיליון דולר ליחידה, אלא גם על מפעלים שלמים שתוכננו סביבם, עם חדרי נקיון מתקדמים, ספקי כוח חזקים מאוד ומערכות תמיכה מורכבות ביותר.

משמעות הדבר היא שרק מספר קטן של מפעלי יציקה ויצרני ייצור מובילים - TSMC, סמסונג, אינטל ועוד כמה - יכולים להרשות לעצמם לפרוס EUV בקנה מידה גדול. חלק ניכר משאר התעשייה ממשיך להשתמש בליתוגרפיה DUV, שהיא זולה יותר ומתאימה לחלוטין למטרה המיועדת שלה. שבבים פחות מתקדמים כגון אלה המועסקים ברכב, מוצרי אלקטרוניקה בסיסיים ומערכות תעשייתיות רבות.

בנוסף, הטכנולוגיה עדיין גוררת מאוחר יותר אתגרים טכניים גורמים חשובים כוללים: עוצמת מקורות האור, אורך החיים של הציפויים האופטיים כנגד קרינה בעלת אנרגיה גבוהה כזו, מורכבות המסכות המחזירות אור והצורך לשמור על פרודוקטיביות גבוהה מבלי לגרום לפגמים בכל פרוסה - נושאים שממשיכים להתעדכן דור אחר דור.

ASML, אינטל, סמסונג ו-TSMC: שרשרת של תלות צולבת

שיתוף הפעולה בין ASML ליצרניות שבבים גדולות אינו רק קשר של ספק-לקוח. אינטל, לדוגמה, השקיעה כ- 4.000 מיליארד דולר ב-ASML בשנת 2012 לתמוך בפיתוח מכונות ה-EUV הראשונות, להבטיח גישה מועדפת לטכנולוגיה ולהשתתף באופן פעיל בפיתוחה.

ASML מספקת כעת את מערכות ה-High-NA EUV הראשונות שלה ללקוחות אסטרטגיים. מערכת Twinscan EXE:5200 הראשונה סופקה למפעל של אינטל בהילסבורו, קליפורניה, צעד התואם את מפת הדרכים של החברה להגיע לצומת 18A (1,8 ננומטר) במחצית השנייה של העשור. כדי לסגור את הפער עם TSMC וסמסונג במרוץ על מנהיגות טכנולוגית.

סמסונג ו-TSMC, בינתיים, מתחרות הן על כושר ייצור זמין של EUV והן על עדיפות במשלוחי ASML. עיכובים ביצוא - שהוחמרו עקב מגפת הקורונה - אילצו מדי פעם להתאים מחדש את מפות הדרכים, לדחות את ייצור הפיילוט של צמתים כגון 3nm ולארגן מחדש את הקצאת הוופלים (wafers) בין לקוחות בעלי ערך גבוה כמו אפל, קוואלקום או יצרניות רכב גדולות.

כל המערכת האקולוגית הזו משמעותה שזמינותן של מערכות EUV, קצב האספקה ​​של ASML ויכולת ההסתגלות של Cymer, ZEISS וספקים אחרים הפכו לגורמים מכריעים בקביעת אילו חברות ואילו מדינות קובעות את הקצב? בתעשיית המוליכים למחצה של הדור הבא.

פוטוליוגרפיה אולטרה סגולה קיצונית ביססה את עצמה כמפתח לשמירת חוק מור בחיים, תוך ייצור שבבים של 7, 5 ו-3 ננומטר, והעזה להיכנס לתחום של 2 ננומטר ומטה, אך גם כמשאב נדיר ויקר ביותר הנשלט על ידי קומץ שחקנים. הבנת הפיזיקה שלו, האתגרים שלו והשוק שלו עוזרת לנו להבין מדוע הטלפון הנייד שלנו, המכונית שלנו או הענן שאנו משתמשים בו מדי יום תלויים למעשה בכמה מכונות ענק הפזורות ברחבי העולם וב... יכולתן של ASML ושותפיה להמשיך לדחוף את גבולות טכנולוגיית EUV.