Fotolitografi ultraviolét ekstrim (EUV): téknologi anu ngadukung masa depan chip

Nalika ngabahas masa depan chip, telepon sélulér anu paling kuat, atanapi kecerdasan buatan anu bakal datang, aya hiji istilah anu sok muncul dina paguneman: fotolitografi ultraviolét ekstrim, disebut ogé litografi EUVTéhnologi ieu parantos janten hambatan sareng kakuatan pendorong di balik kamajuan semikonduktor anu paling canggih di dunya.

Sanaos konsépna karasa téknis pisan, ngartos naon ari litografi EUV, kumaha jalanna, saha anu ngontrolna, sareng naon dampakna kana geopolitik sareng ékonomi global mangrupikeun konci pikeun ngartos kunaon aya kakurangan chip, kunaon sababaraha nagara pasea pikeun mesin-mesin ieu, sareng kunaon perusahaan sapertos ASML, TSMC, Samsung atanapi Intel Aranjeunna parantos janten strategis dina skala global.

Naon ari fotolitografi ultraviolét ekstrim (EUV) téh?

Dina industri semikonduktor, litografi EUV nujul kana téhnik fotolitografi anu ngagunakeun sinar ultraviolét anu ekstrim kalayan panjang gelombang 13,5 nanométer, nyaéta, di daérah anu disebut sinar-X lemes dina spéktrum éléktromagnétik. Panjang gelombang ieu jauh langkung pondok tibatan cahaya anu katingali (400-700 nm) sareng ogé tibatan litografi ultraviolét jero (DUV), anu biasana jalan dina 248 nm (KrF) atanapi 193 nm (ArF).

Panggunaan panjang gelombang anu pondok pisan ieu ngamungkinkeun nangtukeun pola anu langkung alit sareng langkung padet dina wafer silikon, anu ditarjamahkeun kana kamungkinan ngahijikeun milyaran transistor kana hiji chip. Unggal generasi anyar simpul litograf (7 nm, 5 nm, 3 nm, 2 nm, 1,8 nm…) hadir sareng chip anu langkung gancang, kalayan kapasitas anu langkung ageung sareng a konsumsi énergi anu langkung handap sacara signifikan.

Fotolitografi, boh nganggo DUV atanapi EUV, dasarna diwangun ku proyéksikeun pola géométri kana wafer anu dilapis ku photoresistFotopolimer ieu robah nalika disorot sacara selektif ngaliwatan topéng (atanapi photomask), sahingga daérah anu kakeunaan janten leyur atanapi henteu leyur, ngamungkinkeun struktur mikroskopis diukir kana substrat. Kalayan EUV, prinsip fisikna sami, tapi kompleksitas téknis sistem ningkat sacara dramatis.

Hiji kanyataan konci nyaéta yén Panjang gelombang 13,5 nm leuwih ti sapuluh kali leuwih leutik tibatan anu dianggo dina pamindai ArF (193 nm). Hatur nuhun kana ieu, alat EUV tiasa nyitak detil anu langkung alit tibatan 20 nm, hal anu ngan ukur tiasa kahontal ku litografi konvensional nganggo téknik multi-pola anu rumit pisan, laun, sareng mahal.

Kumaha lampu EUV dihasilkeun sareng diurus

Ngahasilkeun cahaya 13,5 nm ku cara anu dikontrol sareng nganggo daya anu diperyogikeun nyaéta salah sahiji tantangan téknis utama tina téknologi ieuDina sistem ayeuna, hiji sumber laser CO₂ kakuatan tinggi Éta némbakkeun dua pulsa anu gancang pisan kana tetesan timah cair leutik anu obah. Pulsa anu kahiji ngarobih bentuk tetesan éta; pulsa anu kadua, anu langkung kuat, nguapkeunana, ngabentuk plasma.

Plasma timah panas ieu ngaluarkeun radiasi EUV, anu ditéwak ku eunteung kolektor sareng dikirim ka sésa sistem optik. Sakabéh prosés ieu diulang kalayan laju anu luar biasa, sakitar 50.000 kali per detikpikeun ngahasilkeun aliran cahaya anu cukup kuat pikeun ngajaga laju produksi industri.

Kusabab radiasi EUV diserep ku hawa, jalur anu ditempuhna ti sumber ka wafer kedah aya di jero a kamar vakum kualitas luhurSalajengna, partikel lebu atanapi gangguan minimal dina komponén optik tiasa ngaruksak gambar anu diproyeksikan, janten sarat pikeun kabersihan, stabilitas mékanis, sareng kontrol geterna ekstrim pisan.

Optik reflektif, eunteung anu mustahil, sareng topéng khusus

Teu siga litografi DUV, anu nganggo lénsa transmisi sareng topéng kuarsa transparan, litografi EUV dumasar kana optik reflektif pinuhAlesanna basajan: ampir sadaya bahan, kalebet kaca anu dianggo dina lénsa tradisional, nyerep cahaya 13,5 nm.

Gantina lénsa, sistem EUV nganggo sistem anu diwangun ku eunteung multi-lapisan anu ultra-presisi Eunteung ieu nungtun sareng museurkeun sinar ti sumberna ka wafer. Éta diwangun ku puluhan lapisan silih genti tina bahan anu béda-béda anu diendapkeun kalayan presisi atom, anu ngamungkinkeun aranjeunna pikeun ngagambarkeun radiasi EUV kalayan efisiensi pangluhurna dina wates fisika.

Nanging, sanajan nganggo solusi anu canggih ieu, unggal eunteung nyerep bagian anu signifikan tina cahaya anu ditampi. Sistem ASML ayeuna ngagunakeun sahenteuna dua eunteung kondensor sareng genep eunteung proyéksi, sareng babarengan, Kira-kira 96% tina cahaya anu dipancarkeun leungit.Ieu meryogikeun sumber EUV anu luar biasa caang supados, saatos sadaya pantulan, énergi anu cekap dugi ka wafer.

Topéngna ogé béda: tinimbang janten pelat transparan kalayan daérah anu teu tembus cahaya, EUV nganggo masker réfléksiIeu ogé berlapis-lapis, kalayan pola anu diukir dina éta salaku relief sareng lapisan anu ngamodulasi pantulan. Sagala cacad dina topéng atanapi eunteung langsung nyababkeun kasalahan percetakan sareng, ku kituna, wafer anu cacad.

Naon anu ngajantenkeun mesin EUV ASML istimewa pisan?

Mesin fotolitografi EUV anu diproduksi ku perusahaan Walanda ASML, sacara harfiah, sababaraha mesin anu paling rumit anu kantos diwangunHiji unit EUV generasi kahiji ngahijikeun leuwih ti 100.000 bagian, kira-kira 3.000 kabel, 40.000 baut, jeung kira-kira dua kilométer kabel listrik internal. Sarta sadayana ieu dikoordinasikeun kalawan sampurna ku parangkat lunak kontrol anu canggih pisan.

Tingkat karumitan ieu ngajantenkeun alat-alat ieu raksasa: unggal mesin nempatan rohangan anu sami sareng beus kota Sareng éta meryogikeun sababaraha modul bantu, sistem pendingin, alat vakum, sareng éléktronik presisi. Salajengna, éta henteu dikirim dina kaayaan dirakit sacara lengkep; éta diangkut dina ratusan peti sareng dirakit sareng dikalibrasi di tempat di pabrik konsumén.

Seueur kasuksésan ASML aya dina jaringan mitra téknologina. Kira-kira 90% komponén mesin ieu asalna ti pabrik séjén sumebar di sakuliah dunya. Di antarana, aya dua ngaran konci anu nonjol: Cymer sareng ZEISS, duanana penting pisan pikeun litografi EUV supados tiasa fungsina sakumaha mistina.

Kontribusi ZEISS: optik dina wates fisika

Mitra konci anu sanésna nyaéta ZEISS, perusahaan optik presisi tinggi Jerman anu bersejarah. ZEISS ngarancang sareng ngadamel Komponen optik réfléksibel alat EUV ti ASML, ti eunteung pangumpul awal nepi ka optik proyéksi kompléks anu mindahkeun pola ka silikon.

Eunteung-eunteung ieu kedah tiasa dianggo kalayan panjang gelombang 13,5 nm ngajaga kaseragaman sareng katepatan tina bentuk gelombang anu ekstrim. Kerataan permukaanana sapertos kitu, upami eunteung digedekeun dugi ka ukuran nagara, ketidakteraturanana bakal kirang ti jangkungna lambar jukut. Sagala panyimpangan anu minimal katingali bakal ngaruksak pola sareng ngajantenkeun wafer teu tiasa dianggo.

Salian ti eunteung, ZEISS ogé kalibet dina ngembangkeun sensor sareng aktuator anu ngabenerkeun sacara real time Sistem ieu ngadeteksi deformasi minor, pamindahan, atanapi geteran anu tiasa kajantenan nalika operasi. Sistem ieu ogé nyayogikeun parangkat lunak anu terus-terusan ngawas paripolah sistem optik sareng mastikeun yén éta tetep aya dina toleransi anu ketat pisan.

EUV NA-luhur: generasi anyar anu ngarecah halangan 3nm

Saatos sababaraha taun ngahijikeun generasi munggaran peralatan EUV, ASML parantos ngalakukeun léngkah salajengna kalayan mesin-mesinna aperture numerik anu luhur, katelah High-NA EUVModél komérsial anu paling representatif nyaéta Twinscan EXE:5200, anu ayeuna dianggap salaku alat litografi anu paling canggih di dunya.

Konci pikeun sistem anyar ieu aya dina kanaékan aperture numerik sistem optik: éta robah ti NA = 0,33 dina peralatan EUV ayeuna ka NA = 0,55 dina NA-LuhurSacara umum, ieu ngamungkinkeun pikeun nyitak detil anu langkung saé dina panjang gelombang anu sami nyaéta 13,5 nm, ningkatkeun résolusi pola anu ditransfer ka wafer.

Hatur nuhun kana paningkatan ieu, peralatan High-NA EUV muka panto pikeun ngadamel sirkuit terpadu. ngaleuwihan ambang komérsial 3 nmngamungkinkeun simpul di sakitar 2 nm sareng bahkan téknologi 18A (1,8 nm) anu direncanakeun ku Intel. Salajengna, ASML parantos ngaoptimalkeun sistem penanganan mékanis sareng wafer supados hiji mesin High-NA tiasa ngolah langkung ti 200 wafer per jam, anu penting pisan pikeun ngajaga biaya per chip anu kompetitif.

Harga mesin High-NA diperkirakeun sakitar $300 juta per unitÉta kira-kira dua kali lipat harga EUV generasi kahiji, anu hargana sakitar 150 juta. Sanaos kitu, pikeun produsén anu hoyong tetep payuneun kurva, éta praktis mangrupikeun investasi anu kedah dipiboga.

Monopoli téknologi kalayan dampak geopolitik anu ageung

Dina pasar litografi EUV, aya hiji kanyataan anu teu tiasa dipungkir: ASML mangrupikeun hiji-hijina pabrik anu sanggup ngahasilkeun mesin-mesin ieu dina skala industri. Monopoli ieu ditarjamahkeun kana posisi kakuatan anu teu acan pernah aya dina ranté nilai semikonduktor.

Raksasa sapertos TSMC, Samsung, sareng Intel ngandelkeun alat EUV ASML pikeun ngahasilkeun chip anu paling canggih. Kira-kira saparapat tina panghasilan Panghasilan ASML parantos asalna langsung tina penjualan sistem EUV, teu kalebet kontrak layanan, pamutahiran, pelatihan sareng pangropéa.

Domain téknologi ieu ogé ngagaduhan dimensi geopolitik anu jelasKategangan antara Amérika Serikat sareng Cina parantos nempatkeun litografi EUV di tengah debat. Washington parantos neken Walanda pikeun ngawatesan ékspor mesin anu paling canggih ka Cina, kalayan tujuan pikeun ngawatesan aksés nagara Asia éta kana simpul anu canggih. Samentawis éta, pabrik Jepang sapertos Canon nuju ngajalajah alternatif sapertos litografi nanoimprint (NIL), anu sacara téoritis sanggup ngahasilkeun simpul 2nm, tapi ayeuna, EUV tetep janten standar de facto di garis payun téknologi.

Naha litografi EUV penting pisan pikeun chip ayeuna

Relevansi litografi EUV paling kahartos ku cara ningali alat-alat anu urang anggo sadidinten. Seueur di antarana telepon pinter, jam tangan pinter, konsol gim vidéo sareng komputer anu langkung énggal, boh dina widangna desain chip Sapertos dina manufakturna, aranjeunna nganggo CPU, GPU, SoC sareng mémori anu diproduksi nganggo node 7nm, 5nm atanapi anu langkung handap, dimana EUV parantos penting pikeun lapisan-lapisan prosés anu tangtu.

Samsung, contona, ngumumkeun panggunaan EUV pikeun ngahasilkeun Chip 7nm disebut 7LPPTéhnologi ieu bakal jadi dasar pikeun ngaktipkeun jaringan 5G kapasitas luhur, aplikasi kecerdasan jieunan canggih, Internet of Things, sareng sistem nyetir otonom. Numutkeun perusahaan, pindah ka EUV ngamungkinkeun pangurangan konsumsi énergi dugi ka 50%, paningkatan kinerja 20%, sareng panurunan tapak suku sakitar 40% dibandingkeun sareng téknologi berbasis ArF multi-pola sateuacana.

Pausahaan sapertos Apple, Huawei, sareng désainer chip utama anu sanésna ogé ngandelkeun aranjeunna. Pabrik pengecoran anu nganggo EUV pikeun tiasa nawiskeun alat anu langkung gancang sareng langkung efisien. Sareng éta sanés ngan ukur ngeunaan kakuatan atah: ngirangan konsumsi kakuatan sareng panas penting pisan pikeun telepon sélulér, laptop, sareng server supados tiasa dianggo langkung saé dina wates termal anu wajar.

Kaunggulan konci litografi EUV dibandingkeun sareng DUV

Kauntungan utama anu munggaran tina litografi EUV nyaéta kamungkinan nyetak fitur anu langkung alitKalayan panjang gelombang anu pondok sapertos kitu sareng aperture numerik anu cocog, struktur tiasa diproduksi anu, pikeun ukuran chip anu sami, ngalikeun jumlah transistor anu sayogi sababaraha kali dibandingkeun sareng téknologi sateuacana.

Ieu ditarjamahkeun kana chip sareng kapasitas pamrosésan anu langkung ageung, mémori anu langkung terintegrasi Sareng, anu paling penting, konsumsi énergi per operasi langkung handap sacara signifikan. Pikeun pusat data, jaringan komunikasi, atanapi aplikasi AI skala ageung, paningkatan efisiensi énergi ieu gaduh dampak anu dramatis kana biaya operasi.

Kauntungan kadua aya patalina jeung prosés: EUV ngamungkinkeun ngurangan jumlah léngkah litografi anu diperyogikeun pikeun ngahontal pola anu sami. Sanaos metode ArF sareng multi-pola tiasa meryogikeun tilu atanapi opat paparan anu béda pikeun ngahontal struktur anu rumit, EUV sering ngan ukur meryogikeun hiji. Ieu ngagampangkeun aliran manufaktur, ningkatkeun hasil, sareng tiasa ngirangan biaya per chip dina jangka sedeng.

Salajengna, ku cara tiasa museurkeun langkung seueur fungsi dina daérah permukaan anu langkung alit, éta muka panto pikeun arsitéktur system-on-a-chip anu beuki terintegrasi, kalayan blok CPU, GPU, akselerator AI, mémori, sareng logika khusus anu aya dina silikon anu sami — hal anu ngan ukur tiasa dianggo nalika kapadetan integrasi anu luhur pisan.

Kakurangan sareng watesan EUV ayeuna

Halangan utama pikeun litografi EUV, teu diragukeun, nyaéta biaya mesin anu astronomis sareng infrastruktur anu diperyogikeun. Urang teu ngan ukur ngobrolkeun ngeunaan alat-alat anu gampang ngaleuwihan saratus juta dolar per unit, tapi ogé sakumna pabrik anu dirancang di sakitarna, kalayan kamar bersih anu canggih, catu daya anu kuat pisan, sareng sistem pendukung anu rumit pisan.

Ieu ngandung harti yén ngan ukur sababaraha pabrik pengecoran sareng IDM tingkat luhur—TSMC, Samsung, Intel, sareng sababaraha anu sanésna—anu mampuh nerapkeun EUV dina skala anu ageung. Seueur industri anu sésana teras nganggo litografi DUV, anu langkung terjangkau sareng cekap pikeun tujuan anu dimaksud. chip anu kirang canggih sapertos anu dianggo dina otomotif, éléktronika konsumen dasar, sareng seueur sistem industri.

Salian ti éta, téknologi masih ngalambatkeun tantangan téknis Faktor-faktor penting di antarana: kakuatan sumber cahaya, umur palapis optik ngalawan radiasi énergi anu luhur sapertos kitu, kompleksitas topéng réfléksi, sareng kabutuhan pikeun ngajaga produktivitas anu luhur tanpa micu cacad per wafer—masalah anu terus dimurnikeun ti generasi ka generasi.

ASML, Intel, Samsung sareng TSMC: ranté katergantungan silang

Kolaborasi antara ASML sareng produsén chip utama sanés ngan ukur hubungan klien-supplier. Intel, contona, investasi sakitar $4.000 milyar dina ASML dina taun 2012 pikeun ngadukung pamekaran mesin EUV anu munggaran, mastikeun aksés prioritas kana téknologi, sareng aktip ilubiung dina pamekaranana.

ASML ayeuna nuju nganteurkeun sistem High-NA EUV munggaran ka konsumén strategis. Sistem Twinscan EXE:5200 munggaran parantos dikirimkeun ka pabrik Intel di Hillsboro, California, hiji léngkah anu saluyu sareng roadmap perusahaan pikeun ngahontal simpul 18A (1,8 nm) na dina satengah kadua dasawarsa ieu. nutup jurang sareng TSMC sareng Samsung dina balapan pikeun kapamingpinan téknologi.

Samentara éta, Samsung sareng TSMC keur ngarebut kapasitas produksi EUV anu sayogi sareng prioritas dina pengiriman ASML. Katerlambatan ékspor—anu dipicu ku pandémi COVID-19—kadang-kadang maksa nyaluyukeun deui peta jalan, nunda produksi pilot node sapertos 3nm sareng ngatur ulang alokasi wafer di antara para nasabah anu bernilai tinggi sapertos Apple, Qualcomm atanapi produsén mobil ageung.

Sakabéh ékosistem ieu ngandung harti yén kasadiaan sistem EUV, laju pangiriman ASML, sareng adaptasi Cymer, ZEISS, sareng supplier sanésna parantos janten faktor anu nangtukeun dina nangtukeun Pausahaan mana sareng nagara mana anu ngatur lajuna? dina industri semikonduktor generasi salajengna.

Fotolitografi ultraviolét anu ekstrim parantos ngadegkeun dirina salaku konci pikeun ngajaga Hukum Moore tetep hirup, ngahasilkeun chip 7, 5, sareng 3 nm, sareng ngaléngkah ka 2 nm sareng di handapna, tapi ogé salaku sumber daya anu langka sareng mahal pisan anu dikontrol ku sababaraha pamaén. Ngartos fisika, tantanganana, sareng pasarna ngabantosan urang ningali kunaon telepon sélulér urang, mobil urang, atanapi méga anu urang anggo unggal dinten sabenerna gumantung kana sababaraha mesin raksasa anu sumebar di sakumna dunya sareng di Kamampuh ASML sareng mitra-mitrana pikeun teras ngadorong wates téknologi EUV.

Artikel nu patali:

Apple sareng Intel nyiapkeun satru anyar pikeun ngahasilkeun chip M-seri salajengna.

Alberto Navarro

Abdi mangrupikeun peminat téknologi anu parantos ngajantenkeun minat "geek" janten profési. Kuring parantos nyéépkeun langkung ti 10 taun hirup kuring nganggo téknologi canggih sareng ngintip kalayan sagala jinis program tina rasa panasaran murni. Ayeuna kuring geus husus dina téhnologi komputer jeung video kaulinan. Ieu kusabab pikeun leuwih ti 5 taun kuring geus nulis pikeun sagala rupa situs web on téhnologi jeung video kaulinan, nyieun artikel nu neangan masihan anjeun informasi nu peryogi dina basa anu kaharti ku sarerea.

Upami Anjeun gaduh patarosan, pangaweruh abdi rentang ti sagalana patali jeung sistem operasi Windows ogé Android pikeun handphone. Sareng komitmen abdi ka anjeun, kuring sok daék nyéépkeun sababaraha menit sareng ngabantosan anjeun ngabéréskeun patarosan anu anjeun gaduh di dunya internét ieu.