Fotolitografi ultraungu ekstrem (EUV): teknologi yang menyokong masa depan cip

Apabila membincangkan masa depan cip, telefon bimbit yang paling berkuasa, atau kecerdasan buatan yang akan datang, terdapat satu istilah yang selalu muncul dalam perbualan: fotolitografi ultraungu ekstrem, juga dikenali sebagai litografi EUVTeknologi ini telah menjadi penghalang dan penggerak di sebalik kemajuan semikonduktor paling canggih di dunia.

Walaupun konsep ini kedengaran sangat teknikal, memahami apa itu litografi EUV, cara ia berfungsi, siapa yang mengawalnya dan kesannya terhadap geopolitik dan ekonomi global adalah kunci untuk memahami mengapa terdapat kekurangan cip, mengapa sesetengah negara berebut mesin ini dan mengapa syarikat seperti ASML, TSMC, Samsung atau Intel Mereka telah menjadi strategik pada skala global.

Apakah fotolitografi ultraungu ekstrem (EUV)?

Dalam industri semikonduktor, litografi EUV merujuk kepada teknik fotolitografi yang menggunakan cahaya ultraungu yang ekstrem dengan panjang gelombang 13,5 nanometer, iaitu, dalam kawasan yang dipanggil sinar-X lembut dalam spektrum elektromagnet. Panjang gelombang ini jauh lebih pendek daripada cahaya nampak (400-700 nm) dan juga daripada litografi ultraungu dalam (DUV), yang biasanya berfungsi pada 248 nm (KrF) atau 193 nm (ArF).

Penggunaan panjang gelombang yang sangat pendek ini membolehkan tentukan corak yang lebih kecil dan lebih padat pada wafer silikon, yang diterjemahkan kepada kemungkinan mengintegrasikan berbilion transistor ke dalam satu cip. Setiap generasi baharu nod litografi (7 nm, 5 nm, 3 nm, 2 nm, 1,8 nm…) didatangkan dengan cip yang lebih pantas, dengan kapasiti yang lebih besar dan a penggunaan tenaga yang jauh lebih rendah.

Fotolitografi, sama ada dengan DUV atau EUV, pada asasnya terdiri daripada unjurkan corak geometri ke atas wafer yang disalut dengan fotoresisFotopolimer ini diubah apabila diterangi secara selektif melalui topeng (atau topeng foto), supaya kawasan yang terdedah menjadi larut atau tidak larut, membolehkan struktur mikroskopik terukir pada substrat. Dengan EUV, prinsip fizikal adalah sama, tetapi kerumitan teknikal sistem meningkat secara mendadak.

Satu fakta penting ialah Panjang gelombang 13,5 nm adalah lebih daripada sepuluh kali lebih kecil berbanding yang digunakan dalam pengimbas ArF (193 nm). Disebabkan ini, peralatan EUV boleh mencetak butiran yang lebih kecil daripada 20 nm, sesuatu yang hanya boleh dicapai oleh litografi konvensional dengan teknik berbilang corak yang sangat kompleks, perlahan dan mahal.

Bagaimana cahaya EUV dijana dan dikendalikan

Menghasilkan cahaya 13,5 nm dengan cara terkawal dan dengan kuasa yang diperlukan adalah salah satu cabaran teknikal utama teknologi iniDalam sistem semasa, satu sumber laser CO₂ berkuasa tinggi Ia menembakkan dua denyutan yang sangat pantas pada titisan kecil tin cecair yang bergerak. Denyutan pertama mengubah bentuk titisan; denyutan kedua yang lebih kuat akan mengewapkannya, membentuk plasma.

Plasma timah panas ini memancarkan sinaran EUV, yang ditangkap oleh cermin pengumpul dan dihantar ke seluruh sistem optik. Keseluruhan proses ini berulang pada kadar yang mengagumkan, sekitar 50.000 kali sesaatuntuk menghasilkan aliran cahaya yang cukup kuat untuk mengekalkan kadar pengeluaran perindustrian.

Oleh kerana sinaran EUV diserap oleh udara, laluan yang dilaluinya dari sumber ke wafer mestilah di dalam ruang vakum berkualiti tinggiTambahan pula, sebarang zarah habuk atau sebarang ketidakteraturan minimum dalam komponen optik boleh merosakkan imej yang diunjurkan, jadi keperluan untuk kebersihan, kestabilan mekanikal dan kawalan getaran adalah ekstrem.

Optik reflektif, cermin mustahil, dan topeng khas

Tidak seperti litografi DUV, yang menggunakan kanta penghantaran dan topeng kuarza lutsinar, litografi EUV adalah berdasarkan optik pantulan sepenuhnyaSebabnya mudah: hampir semua bahan, termasuk kaca yang digunakan dalam kanta tradisional, menyerap cahaya 13,5 nm.

Sistem EUV menggunakan sistem yang terdiri daripada kanta dan bukannya cermin berbilang lapisan ultra-ketepatan Cermin-cermin ini membimbing dan memfokuskan pancaran dari sumber ke wafer. Ia terdiri daripada berpuluh-puluh lapisan bahan berbeza yang berselang-seli yang dimendapkan dengan ketepatan atom, membolehkannya memantulkan sinaran EUV dengan kecekapan tertinggi yang mungkin dalam had fizik.

Walau bagaimanapun, walaupun dengan penyelesaian canggih ini, setiap cermin menyerap sebahagian besar cahaya yang diterimanya. Sistem semasa ASML menggunakan sekurang-kurangnya dua cermin kondenser dan enam cermin unjuran, dan bersama-sama, Kira-kira 96% cahaya yang dipancarkan hilang.Ini memerlukan sumber EUV menjadi sangat terang supaya, selepas semua pantulan, tenaga yang mencukupi sampai ke wafer.

Topeng muka juga berbeza: EUV menggunakan plat lutsinar dengan kawasan legap dan bukannya topeng reflektifIni juga berlapis-lapis, dengan corak yang diukir padanya sebagai relief dan lapisan yang memodulasi pantulan. Sebarang kecacatan pada topeng atau cermin serta-merta mengakibatkan ralat pencetakan dan, oleh itu, wafer yang rosak.

Apakah yang menjadikan mesin EUV ASML begitu istimewa?

Mesin fotolitografi EUV yang dikeluarkan oleh syarikat Belanda ASML, secara literalnya, antara mesin paling kompleks yang pernah dibinaSatu unit EUV generasi pertama menggabungkan lebih 100.000 bahagian, kira-kira 3.000 kabel, 40.000 bolt dan kira-kira dua kilometer pendawaian elektrik dalaman. Dan semua ini diselaraskan dengan sempurna oleh perisian kawalan yang sangat canggih.

Tahap kerumitan ini menjadikan peralatan ini sangat besar: setiap mesin menempati ruang yang serupa dengan bas bandar Dan ia memerlukan pelbagai modul tambahan, sistem penyejukan, peralatan vakum dan elektronik jitu. Tambahan pula, ia tidak dihantar dalam keadaan terpasang sepenuhnya; ia diangkut dalam beratus-ratus peti dan dipasang serta dikalibrasi di tapak di kilang pelanggan.

Kebanyakan kejayaan ASML terletak pada rangkaian rakan kongsi teknologinya. Lebih kurang 90% komponen mesin ini datang daripada pengeluar lain diedarkan ke seluruh dunia. Antaranya, dua nama utama menonjol: Cymer dan ZEISS, kedua-duanya sangat penting untuk litografi EUV berfungsi sebagaimana mestinya.

Sumbangan ZEISS: optik pada had fizik

Rakan kongsi utama yang lain ialah ZEISS, syarikat optik ketepatan tinggi Jerman yang bersejarah. ZEISS mereka bentuk dan mengeluarkan Komponen optik reflektif peralatan EUV daripada ASML, daripada cermin pengumpul awal kepada optik unjuran kompleks yang memindahkan corak kepada silikon.

Cermin-cermin ini mesti berfungsi dengan panjang gelombang 13,5 nm mengekalkan keseragaman dan ketepatan bentuk gelombang yang ekstrem. Kerataan permukaan adalah sedemikian rupa sehingga, jika cermin dibesarkan kepada saiz sesebuah negara, ketidakteraturannya akan menjadi kurang daripada ketinggian sehelai rumput. Sebarang sisihan yang ketara secara minimum akan merosakkan corak dan menjadikan wafer tidak boleh digunakan.

Selain cermin, ZEISS terlibat dalam pembangunan sensor dan penggerak yang membetulkan dalam masa nyata Sistem ini mengesan ubah bentuk, anjakan atau getaran kecil yang mungkin berlaku semasa operasi. Ia juga menyediakan perisian yang sentiasa memantau tingkah laku sistem optik dan memastikan ia kekal dalam toleransi yang sangat ketat.

EUV NA-Tinggi: generasi baharu yang memecahkan halangan 3nm

Selepas beberapa tahun menyatukan peralatan EUV generasi pertama, ASML telah mengambil langkah seterusnya dengan mesinnya apertur berangka tinggi, dikenali sebagai EUV NA TinggiModel komersial yang paling representatif ialah Twinscan EXE:5200, yang dianggap hari ini sebagai peralatan litografi paling canggih di dunia.

Kunci kepada sistem baharu ini terletak pada peningkatan apertur berangka sistem optik: ia beralih daripada NA = 0,33 dalam peralatan EUV semasa kepada NA = 0,55 dalam NA TinggiSecara umumnya, ini membolehkan pencetakan butiran yang lebih halus pada panjang gelombang yang sama iaitu 13,5 nm, sekali gus meningkatkan resolusi corak yang dipindahkan ke wafer.

Hasil daripada penambahbaikan ini, peralatan EUV NA Tinggi membuka pintu kepada pembuatan litar bersepadu. melebihi ambang komersial 3 nmmembenarkan nod sekitar 2 nm dan juga teknologi 18A (1,8 nm) yang dirancang oleh Intel untuk digunakan. Tambahan pula, ASML telah mengoptimumkan sistem pengendalian mekanikal dan wafer supaya satu mesin High-NA boleh memproses lebih daripada 200 wafer sejam, yang penting untuk mengekalkan kos setiap cip yang kompetitif.

Harga mesin High-NA dianggarkan sekitar $300 juta seunitItu kira-kira dua kali ganda harga EUV generasi pertama, yang berharga sekitar 150 juta. Walaupun begitu, bagi pengeluar yang ingin kekal mendahului, ia boleh dikatakan sebagai pelaburan yang mesti dimiliki.

Monopoli teknologi dengan impak geopolitik yang besar

Dalam pasaran litografi EUV, terdapat satu fakta yang tidak dapat dinafikan: ASML adalah satu-satunya pengeluar yang mampu menghasilkan mesin-mesin ini pada skala perindustrian. Monopoli ini diterjemahkan kepada kedudukan kuasa yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam rantaian nilai semikonduktor.

Syarikat gergasi seperti TSMC, Samsung dan Intel bergantung pada peralatan EUV ASML untuk menghasilkan cip termaju mereka. Lebih kurang seperempat daripada pendapatan Pendapatan ASML sudah pun datang terus daripada penjualan sistem EUV, tidak termasuk kontrak perkhidmatan, naik taraf, latihan dan penyelenggaraan.

Domain teknologi ini juga mempunyai dimensi geopolitik yang jelasKetegangan antara Amerika Syarikat dan China telah meletakkan litografi EUV di tengah-tengah perdebatan. Washington telah memberi tekanan kepada Belanda untuk mengehadkan eksport mesin paling canggihnya ke China, bertujuan untuk mengekang akses negara Asia itu kepada nod canggih. Sementara itu, pengeluar Jepun seperti Canon sedang meneroka alternatif seperti litografi nanoimprint (NIL), yang secara teorinya mampu menghasilkan nod 2nm, tetapi buat masa ini, EUV kekal sebagai standard de facto di barisan hadapan teknologi.

Mengapa litografi EUV sangat penting untuk cip hari ini

Kerelevanan litografi EUV paling difahami dengan melihat peranti yang kita gunakan setiap hari. Kebanyakannya telefon pintar, jam tangan pintar, konsol permainan video dan komputer lebih terkini, kedua-duanya dalam reka bentuk cip Seperti dalam pembuatannya, mereka menggunakan CPU, GPU, SoC dan memori yang dihasilkan dengan nod 7nm, 5nm atau lebih rendah, di mana EUV sudah penting untuk lapisan proses tertentu.

Samsung, sebagai contoh, mengumumkan penggunaan EUV untuk mengeluarkannya Cip 7nm dipanggil 7LPPTeknologi-teknologi ini akan menjadi asas untuk mendayakan rangkaian 5G berkapasiti tinggi, aplikasi kecerdasan buatan canggih, Internet of Things dan sistem pemanduan autonomi. Menurut syarikat itu, peralihan kepada EUV membolehkan pengurangan penggunaan tenaga sehingga 50%, peningkatan prestasi sebanyak 20% dan penurunan jejak kira-kira 40% berbanding teknologi berasaskan ArF berbilang corak sebelumnya.

Syarikat seperti Apple, Huawei dan pereka cip utama lain juga bergantung pada mereka. Faundri yang menggunakan EUV untuk dapat menawarkan peranti yang lebih pantas dan cekap. Dan ia bukan sekadar tentang kuasa mentah: mengurangkan penggunaan kuasa dan haba adalah penting untuk telefon bimbit, komputer riba dan pelayan agar berfungsi dengan lebih baik dalam had terma yang munasabah.

Kelebihan utama litografi EUV berbanding DUV

Kelebihan utama pertama litografi EUV ialah kemungkinan cetak ciri yang jauh lebih kecilDengan panjang gelombang yang pendek dan apertur berangka yang sesuai, struktur boleh dihasilkan yang, untuk saiz cip yang sama, dapat mendarabkan bilangan transistor yang tersedia beberapa kali ganda berbanding teknologi sebelumnya.

Ini diterjemahkan kepada cip dengan kapasiti pemprosesan yang lebih besar, memori yang lebih bersepadu Dan, yang paling penting, penggunaan tenaga yang jauh lebih rendah bagi setiap operasi. Bagi pusat data, rangkaian komunikasi atau aplikasi AI berskala besar, peningkatan kecekapan tenaga ini mempunyai kesan yang dramatik terhadap kos operasi.

Kelebihan kedua adalah berkaitan dengan proses: EUV membenarkan mengurangkan bilangan langkah litografi yang diperlukan untuk mencapai corak yang sama. Walaupun kaedah ArF dan berbilang corak mungkin memerlukan tiga atau empat pendedahan berbeza untuk mencapai struktur yang kompleks, EUV selalunya hanya memerlukan satu. Ini memudahkan aliran pembuatan, meningkatkan hasil dan boleh mengurangkan kos setiap cip dalam jangka masa sederhana.

Tambahan pula, dengan dapat menumpukan lebih banyak fungsi pada luas permukaan yang lebih kecil, ia membuka pintu kepada seni bina sistem-pada-cip yang semakin bersepadu, dengan blok CPU, GPU, pemecut AI, memori dan logik khusus yang wujud bersama pada sekeping silikon yang sama—sesuatu yang hanya berdaya maju apabila ketumpatan integrasi yang sangat tinggi.

Kelemahan dan batasan semasa EUV

Halangan utama kepada litografi EUV, tidak syak lagi, ialah kos mesin yang sangat tinggi dan infrastruktur yang mereka perlukan. Kita bukan sahaja bercakap tentang peralatan yang dengan mudah melebihi seratus juta dolar seunit, tetapi juga seluruh loji yang direka bentuk di sekelilingnya, dengan bilik bersih yang canggih, bekalan kuasa yang sangat berkuasa dan sistem sokongan yang sangat kompleks.

Ini bermakna hanya beberapa faundri dan IDM peringkat tinggi—TSMC, Samsung, Intel dan beberapa yang lain—mampu menggunakan EUV secara besar-besaran. Kebanyakan industri lain terus menggunakan litografi DUV, yang lebih berpatutan dan mencukupi untuk tujuan yang dimaksudkan. cip kurang canggih seperti yang digunakan dalam automotif, elektronik pengguna asas dan banyak sistem perindustrian.

Selain itu, teknologi masih lagi melambatkan cabaran teknikal Faktor penting termasuk: kuasa sumber cahaya, jangka hayat salutan optik terhadap sinaran bertenaga tinggi sedemikian, kerumitan topeng pantulan dan keperluan untuk mengekalkan produktiviti yang tinggi tanpa mencetuskan kecacatan setiap wafer—isu yang terus diperhalusi generasi demi generasi.

ASML, Intel, Samsung dan TSMC: rangkaian kebergantungan silang

Kerjasama antara ASML dan pengeluar cip utama bukan sekadar hubungan pelanggan-pembekal. Intel, sebagai contoh, melabur sekitar $4.000 bilion dalam ASML pada tahun 2012 untuk menyokong pembangunan mesin EUV pertama, memastikan akses keutamaan kepada teknologi dan mengambil bahagian secara aktif dalam pembangunannya.

ASML kini sedang menghantar sistem EUV High-NA pertamanya kepada pelanggan strategik. Sistem Twinscan EXE:5200 pertama telah dihantar ke kilang Intel di Hillsboro, California, satu langkah yang sejajar dengan pelan tindakan syarikat untuk mencapai nod 18A (1,8 nm) pada separuh kedua dekad ini. merapatkan jurang dengan TSMC dan Samsung dalam perlumbaan untuk kepimpinan teknologi.

Sementara itu, Samsung dan TSMC sedang bersaing untuk kapasiti pengeluaran EUV yang tersedia dan keutamaan dalam penghantaran ASML. Kelewatan eksport—yang diburukkan lagi oleh pandemik COVID-19—kadang-kadang telah memaksa laraskan semula peta jalan, menangguhkan pengeluaran rintis nod seperti 3nm dan menyusun semula peruntukan wafer dalam kalangan pelanggan bernilai tinggi seperti Apple, Qualcomm atau pengeluar kereta besar.

Keseluruhan ekosistem ini bermakna ketersediaan sistem EUV, kadar penghantaran ASML dan kebolehsuaian Cymer, ZEISS dan pembekal lain telah menjadi faktor penentu dalam menentukan Syarikat dan negara mana yang sedang menetapkan rentaknya? dalam industri semikonduktor generasi akan datang.

Fotolitografi ultraungu yang ekstrem telah mengukuhkan kedudukannya sebagai kunci untuk memastikan Hukum Moore terus hidup, menghasilkan cip 7, 5, dan 3 nm, dan meneroka ke dalam 2 nm dan ke bawah, tetapi juga sebagai sumber yang terhad dan sangat mahal yang dikawal oleh segelintir pemain. Memahami fiziknya, cabarannya, dan pasarannya membantu kita melihat mengapa telefon bimbit kita, kereta kita, atau awan yang kita gunakan setiap hari sebenarnya bergantung pada beberapa mesin gergasi yang tersebar di seluruh dunia dan di Keupayaan ASML dan rakan kongsinya untuk terus menembusi sempadan teknologi EUV.

Artikel berkaitan:

Apple dan Intel sedang menyediakan pakatan baharu untuk mengeluarkan cip siri M seterusnya.

Alberto Navarro

Saya seorang peminat teknologi yang telah menjadikan minat "geek"nya sebagai satu profesion. Saya telah menghabiskan lebih daripada 10 tahun hidup saya menggunakan teknologi canggih dan bermain-main dengan semua jenis program kerana rasa ingin tahu yang tulen. Sekarang saya mempunyai pakar dalam teknologi komputer dan permainan video. Ini kerana selama lebih daripada 5 tahun saya telah menulis untuk pelbagai laman web mengenai teknologi dan permainan video, mencipta artikel yang bertujuan untuk memberi anda maklumat yang anda perlukan dalam bahasa yang boleh difahami oleh semua orang.

Jika anda mempunyai sebarang soalan, pengetahuan saya merangkumi semua perkara yang berkaitan dengan sistem pengendalian Windows serta Android untuk telefon mudah alih. Dan komitmen saya adalah kepada anda, saya sentiasa bersedia untuk meluangkan masa beberapa minit dan membantu anda menyelesaikan sebarang soalan yang mungkin anda ada dalam dunia internet ini.