Екстремна ултравиолетова (EUV) фотолитографија: технологијата што ја темели иднината на чиповите

Кога се дискутира за иднината на чиповите, најмоќните мобилни телефони или претстојната вештачка интелигенција, постои еден термин што секогаш се појавува во разговорот: екстремна ултравиолетова фотолитографија, исто така наречена EUV литографијаОваа технологија стана и тесно грло и движечка сила зад развојот на најсовремените полупроводници во светот.

Иако концептот звучи многу технички, разбирањето што е EUV литографија, како функционира, кој ја контролира и какво влијание има врз геополитиката и глобалната економија е клучно за разбирање зошто има недостиг од чипови, зошто некои земји се борат за овие машини и зошто компаниите како... ASML, TSMC, Samsung или Intel Тие станаа стратешки на глобално ниво.

Што е екстремна ултравиолетова (EUV) фотолитографија?

Во полупроводничката индустрија, EUV литографијата се однесува на техника на фотолитографија која користи екстремна ултравиолетова светлина со бранова должина од 13,5 нанометри, односно во регионот на таканаречените меки Х-зраци во рамките на електромагнетниот спектар. Оваа бранова должина е многу пократка од онаа на видливата светлина (400-700 nm), а исто така и од онаа на длабоката ултравиолетова (DUV) литографија, која обично работи на 248 nm (KrF) или 193 nm (ArF).

Употребата на оваа многу кратка бранова должина овозможува дефинираат многу помали и погусти шеми на силиконски плочки, што се преведува во можност за интегрирање на милијарди транзистори на еден чип. Секоја нова генерација на литографски јазли (7 nm, 5 nm, 3 nm, 2 nm, 1,8 nm…) доаѓа со побрзи чипови, со поголем капацитет и значително помала потрошувачка на енергија.

Фотолитографијата, без разлика дали е со DUV или EUV, во основа се состои од проектирајте геометриски образец на плоча обложена со фоторезистОвој фотополимер се менува кога селективно се осветлува преку маска (или фотомаска), така што изложените области стануваат растворливи или нерастворливи, овозможувајќи микроскопски структури да се врежат на подлогата. Со EUV, физичкиот принцип е ист, но техничката сложеност на системот драматично се зголемува.

Клучен факт е дека Брановата должина од 13,5 nm е повеќе од десет пати помала од она што се користи во ArF скенерите (193 nm). Благодарение на ова, EUV опремата може да печати детали помали од 20 nm, нешто што конвенционалната литографија може да го постигне само со многу сложени, бавни и скапи техники на повеќекратно поврзување.

Како се генерира и ракува со EUV светлината

Производството на светлина од 13,5 nm на контролиран начин и со потребната моќност е еден од главните технички предизвици на оваа технологијаВо сегашните системи, извор на ласер со висока моќност на CO₂ Испушта два екстремно брзи импулси кон мала, подвижна капка течен калај. Првиот импулс ја деформира капката; вториот, поинтензивен импулс ја испарува, формирајќи плазма.

Оваа врела лимена плазма емитира EUV зрачење, кое се заробува од колекторско огледало и се испраќа до остатокот од оптичкиот систем. Целиот овој процес се повторува со импресивна брзина, околу 50.000 пати во секундаза да се генерира проток на светлина доволно интензивен за да се одржи индустриска стапка на производство.

Бидејќи EUV зрачењето се апсорбира од воздухот, патот што го минува од изворот до плочата мора да биде во внатрешноста на висококвалитетна вакуумска комораПонатаму, секоја честичка прашина или каква било минимална неправилност во оптичките компоненти може да ја уништи проектираната слика, па затоа барањата за чистота, механичка стабилност и контрола на вибрациите се екстремни.

Рефлективна оптика, невозможни огледала и специјални маски

За разлика од DUV литографијата, која користи трансмисиони леќи и транспарентни кварцни маски, EUV литографијата се базира на целосно рефлективна оптикаПричината е едноставна: практично сите материјали, вклучувајќи го и стаклото што се користи во традиционалните леќи, апсорбираат светлина од 13,5 nm.

Наместо леќи, EUV системите користат систем кој се состои од ултра-прецизни повеќеслојни огледала Овие огледала го насочуваат и фокусираат зракот од изворот до плочата. Тие се составени од десетици наизменични слоеви од различни материјали нанесени со атомска прецизност, што им овозможува да го рефлектираат EUV зрачењето со највисока можна ефикасност во рамките на границите на физиката.

Сепак, дури и со овие софистицирани решенија, секое огледало апсорбира значителен дел од светлината што ја прима. Сегашните системи на ASML користат најмалку две кондензаторски огледала и шест проекциски огледала, и заедно, Приближно 96% од емитираната светлина се губи.Ова бара EUV изворот да биде извонредно светол, така што, по сите рефлексии, доволно енергија ќе стигне до плочката.

Маските се исто така различни: наместо да бидат транспарентни плочи со непроѕирни области, EUV користат рефлектирачки маскиИ овие се повеќеслојни, со шари врежани на нив како релјефи и премази што ја модулираат рефлексијата. Секој дефект на маската или огледалата веднаш резултира со грешки во печатењето и, според тоа, неисправни плочки.

Што ги прави EUV машините на ASML толку посебни?

EUV фотолитографските машини произведени од холандската компанија ASML се, буквално, некои од најсложените машини некогаш изградениЕдна единствена EUV единица од прва генерација интегрира над 100.000 делови, околу 3.000 кабли, 40.000 завртки и околу два километри внатрешно електрично поврзување. И сето ова е совршено координирано од исклучително софистициран контролен софтвер.

Ова ниво на сложеност ја прави опремата гигантска: секоја машина зафаќа простор сличен на оној на градски автобус И тоа бара повеќе помошни модули, системи за ладење, вакуумска опрема и прецизна електроника. Понатаму, тие не се испорачуваат целосно склопени; тие се транспортираат во стотици гајби и се склопуваат и калибрираат на лице место во фабриките на клиентот.

Голем дел од успехот на ASML лежи во нејзината мрежа на технолошки партнери. Приближно 90% од компонентите на овие машини доаѓаат од други производители дистрибуирани низ целиот свет. Меѓу нив, се издвојуваат две клучни имиња: Cymer и ZEISS, и двете апсолутно неопходни за EUV литографијата да функционира како што треба.

Придонесот на ZEISS: оптика на границите на физиката

Другиот клучен партнер е ZEISS, историската германска компанија за високопрецизна оптика. ZEISS го дизајнира и произведува Рефлективни оптички компоненти на EUV опремата од ASML, од почетните собирни огледала до сложената проекциска оптика што го пренесува шаблонот на силикон.

Овие огледала мора да работат со бранова должина од 13,5 nm одржувајќи униформност и прецизност на екстремната бранова форма. Рамноста на површината е таква што, ако огледалото се зголеми до големината на земја, неправилностите би биле помали од висината на тревник. Секое минимално забележливо отстапување би го уништило шаблонот и би го направило плочката неупотреблива.

Покрај огледала, ZEISS е вклучен во развој сензори и актуатори кои корегираат во реално време Системот детектира мали деформации, поместувања или вибрации што можат да се појават за време на работата. Исто така, обезбедува софтвер што континуирано го следи однесувањето на оптичкиот систем и гарантира дека тој останува во исклучително тесни толеранции.

High-NA EUV: новата генерација што ја руши бариерата од 3 nm

По неколку години консолидирање на првата генерација на EUV опрема, ASML го направи следниот чекор со своите машини од висок нумерички отвор, познат како High-NA EUVНајрепрезентативниот комерцијален модел е Twinscan EXE:5200, кој денес се смета за најнапредна опрема за литографија во светот.

Клучот за овие нови системи лежи во зголемувањето на нумеричкиот отвор на оптичкиот систем: тој се движи од NA = 0,33 кај сегашната EUV опрема до NA = 0,55 во High-NAВо широка смисла, ова овозможува печатење на уште пофини детали на иста бранова должина од 13,5 nm, подобрувајќи ја резолуцијата на шаблоните пренесени на плочката.

Благодарение на ова подобрување, опремата High-NA EUV отвора врата за производство на интегрирани кола. над комерцијалниот праг од 3 nm, дозволувајќи јазли околу 2 nm па дури и технологијата 18A (1,8 nm) што Интел планира да ја користи. Понатаму, ASML ги оптимизираше механичките системи и системите за ракување со плочки, така што една машина со висок национален опсег може да обработи повеќе од 200 плочки на час, што е клучно за одржување на конкурентна цена по чип.

Цената на машината High-NA се проценува на околу 300 милиони долари по единицаТоа е приближно двојно повеќе од цената на EUV од прва генерација, која чини околу 150 милиони. Сепак, за производителите кои сакаат да останат чекор напред, тоа е практично задолжителна инвестиција.

Технолошки монопол со огромно геополитичко влијание

На пазарот на EUV литографија, постои еден неоспорен факт: ASML е единствениот производител способен за производство на овие машини на индустриско ниво. Овој монопол се преведува во невидена позиција на моќ во рамките на вредносниот синџир на полупроводници.

Гиганти како TSMC, Samsung и Intel се потпираат на EUV опремата на ASML за производство на нивните најнапредни чипови. Приближно една четвртина од приходот Приходите на ASML веќе доаѓаат директно од продажбата на EUV системи, не вклучувајќи ги договорите за услуги, надградбите, обуката и одржувањето.

Оваа технолошка област, исто така, има јасна геополитичка димензијаТензиите меѓу САД и Кина ја ставија EUV литографијата во центарот на дебатата. Вашингтон изврши притисок врз Холандија да го ограничи извозот на своите најнапредни машини во Кина, со цел да го ограничи пристапот на азиската земја до најсовремени јазли. Во меѓувреме, јапонските производители како Canon истражуваат алтернативи како што е наноимпринт литографијата (NIL), теоретски способна за производство на 2nm јазли, но засега, EUV останува де факто стандард на технолошкиот чело.

Зошто EUV литографијата е толку важна за денешните чипови

Релевантноста на EUV литографијата најдобро се разбира со разгледување на уредите што ги користиме секојдневно. Многу од паметни телефони, паметни часовници, конзоли за видео игри и компјутери поново, и двете во нивните дизајн на чип Како и во нивното производство, тие користат процесори, графички процесори, SoC-ови и мемории произведени со 7nm, 5nm или пониски јазли, каде што EUV е веќе неопходен за одредени слоеви од процесот.

На пример, Samsung објави употреба на EUV за производство на своите 7nm чипови наречени 7LPPОвие технологии ќе бидат фундаментални за овозможување на 5G мрежи со висок капацитет, напредни апликации за вештачка интелигенција, Интернет на нештата и системи за автономно возење. Според компанијата, преминот кон EUV овозможува намалување на потрошувачката на енергија до 50%, зголемување на перформансите за 20% и намалување на зафатнината за приближно 40% во споредба со претходните технологии базирани на повеќекратни ArF модели.

Компании како Apple, Huawei и други големи дизајнери на чипови исто така се потпираат на нив. Леарници што користат EUV да можеме да понудиме побрзи и поефикасни уреди. И не станува збор само за сурова енергија: намалувањето на потрошувачката на енергија и топлината е клучно за мобилните телефони, лаптопите и серверите да работат подобро во разумни термички граници.

Клучни предности на EUV литографијата наспроти DUV

Првата голема предност на EUV литографијата е можноста за печати многу помали карактеристикиСо толку кратка бранова должина и соодветен нумерички отвор, може да се произведат структури кои, за иста големина на чип, го множат бројот на достапни транзистори за неколку пати во споредба со претходните технологии.

Ова се преведува во чипови со поголем капацитет за обработка, поинтегрирана меморија И, пред сè, значително помала потрошувачка на енергија по операција. За центри за податоци, комуникациски мрежи или апликации со вештачка интелигенција на големи размери, ова подобрување на енергетската ефикасност има драматично влијание врз оперативните трошоци.

Втората предност е поврзана со процесот: EUV овозможува намалете го бројот на потребни литографски чекори за да се постигне истиот модел. Додека ArF и методите со повеќе модели може да бараат три или четири различни експозиции за да се постигне комплексна структура, EUV често бара само една. Ова го поедноставува процесот на производство, го подобрува приносот и може да ги намали трошоците по чип на среден рок.

Понатаму, со можноста да се концентрира повеќе функционалности на помала површина, се отвора вратата за сè поинтегрирани архитектури „систем-на-чип“, со блокови од процесор, графички процесор, акцелератори со вештачка интелигенција, меморија и специфична логика кои коегзистираат на истото парче силикон - нешто што е одржливо само кога... многу висока густина на интеграција.

Тековните недостатоци и ограничувања на EUV

Главната пречка за EUV литографијата е, несомнено, астрономска цена на машините и инфраструктурата што им е потребна. Не зборуваме само за опрема што лесно надминува сто милиони долари по единица, туку и за цели постројки дизајнирани околу нив, со напредни чисти простории, многу моќни напојувања и исклучително сложени системи за поддршка.

Ова значи дека само неколку врвни леарници и IDM-компании - TSMC, Samsung, Intel и неколку други - можат да си дозволат да распоредат EUV во голем обем. Голем дел од остатокот од индустријата продолжува да користи DUV литографија, која е попристапна и совршено соодветна за наменетата намена. помалку напредни чипови како што се оние што се користат во автомобилската индустрија, основната потрошувачка електроника и многу индустриски системи.

Покрај тоа, технологијата сè уште влече од себе технички предизвици Важни фактори вклучуваат: моќноста на изворите на светлина, животниот век на оптичките премази наспроти таквото високоенергетско зрачење, сложеноста на рефлектирачките маски и потребата од одржување на висока продуктивност без да се предизвикаат дефекти по плочка - прашања што продолжуваат да се усовршуваат генерација по генерација.

ASML, Intel, Samsung и TSMC: синџир на меѓузависности

Соработката помеѓу ASML и големите производители на чипови не е само однос клиент-добавувач. Интел, на пример, инвестираше околу 4.000 милијарди долари во ASML во 2012 година да се поддржи развојот на првите EUV машини, да се обезбеди приоритетен пристап до технологијата и активно да се учествува во нејзиниот развој.

ASML моментално ги испорачува своите први High-NA EUV системи до стратешки клиенти. Првиот Twinscan EXE:5200 систем е испорачан во фабриката на Intel во Хилсборо, Калифорнија, потег што се совпаѓа со планот на компанијата за достигнување на својот 18A (1,8 nm) јазол во втората половина од деценијата. го намалува јазот со TSMC и Samsung во трката за технолошко лидерство.

Во меѓувреме, Samsung и TSMC се натпреваруваат и за расположливиот капацитет за производство на EUV и за приоритетот во пратките ASML. Доцнењата во извозот - влошени од пандемијата COVID-19 - повремено принудуваа преуредите ги патните карти, одложување на пилот-производството на јазли како што се 3nm и реорганизирање на распределбата на плочки меѓу клиенти со висока вредност како што се Apple, Qualcomm или големи производители на автомобили.

Целиот овој екосистем значи дека достапноста на EUV системите, стапката на испорака на ASML и прилагодливоста на Cymer, ZEISS и другите добавувачи станаа одлучувачки фактори во одредувањето Кои компании и кои земји го поставуваат темпото? во полупроводничката индустрија од следната генерација.

Екстремната ултравиолетова фотолитографија се етаблираше како клуч за одржување на Муровиот закон во живот, производство на чипови од 7, 5 и 3 nm и навлегување во 2 nm и помалку, но исто така и како редок и екстремно скап ресурс контролиран од неколку играчи. Разбирањето на неговата физика, неговите предизвици и неговиот пазар ни помага да видиме зошто нашиот мобилен телефон, нашиот автомобил или облакот што го користиме секојдневно всушност зависат од неколку гигантски машини расфрлани низ целиот свет и од Способноста на ASML и нејзините партнери да продолжат да ги поместуваат границите на EUV технологијата.

Поврзана статија:

Apple и Intel подготвуваат нов сојуз за производство на следните чипови од М-серијата.

Алберто Наваро

Јас сум технолошки ентузијаст кој своите „гикови“ интереси ги претвори во професија. Поминав повеќе од 10 години од мојот живот користејќи најсовремена технологија и непречено со сите видови програми од чиста љубопитност. Сега сум специјализиран за компјутерска технологија и видео игри. Тоа е затоа што повеќе од 5 години пишувам за различни веб-локации за технологија и видео игри, создавајќи статии кои се обидуваат да ви ги дадат потребните информации на јазик што е разбирлив за секого.

Ако имате прашања, моето знаење се движи од се што е поврзано со оперативниот систем Виндоус како и Андроид за мобилни телефони. И мојата посветеност е кон вас, јас сум секогаш подготвен да потрошам неколку минути и да ви помогнам да ги решите сите прашања што може да ги имате во овој интернет свет.