Công nghệ quang khắc cực tím (EUV): công nghệ nền tảng cho tương lai của chip

Khi bàn luận về tương lai của chip, những chiếc điện thoại di động mạnh mẽ nhất, hay trí tuệ nhân tạo sắp ra mắt, có một thuật ngữ luôn được nhắc đến trong cuộc trò chuyện: Quang khắc cực tím, còn được gọi là quang khắc EUV.Công nghệ này đã trở thành cả nút thắt cổ chai lẫn động lực thúc đẩy sự phát triển của các chất bán dẫn tiên tiến nhất thế giới.

Mặc dù khái niệm này nghe có vẻ rất kỹ thuật, nhưng việc hiểu rõ công nghệ in thạch bản EUV là gì, nó hoạt động như thế nào, ai kiểm soát nó và tác động của nó đến địa chính trị và nền kinh tế toàn cầu là chìa khóa để hiểu tại sao lại có tình trạng thiếu chip, tại sao một số quốc gia lại tranh giành những cỗ máy này và tại sao các công ty như... ASML, TSMC, Samsung hoặc Intel Họ đã trở nên có tầm ảnh hưởng chiến lược trên phạm vi toàn cầu.

Công nghệ quang khắc cực tím (EUV) là gì?

Trong ngành công nghiệp bán dẫn, công nghệ in thạch bản EUV đề cập đến... Kỹ thuật quang khắc sử dụng ánh sáng cực tím. Với bước sóng 13,5 nanomet, tức là nằm trong vùng tia X mềm thuộc phổ điện từ. Bước sóng này ngắn hơn nhiều so với ánh sáng nhìn thấy (400-700 nm) và cũng ngắn hơn so với bước sóng của kỹ thuật in thạch bản cực tím sâu (DUV), thường hoạt động ở 248 nm (KrF) hoặc 193 nm (ArF).

Việc sử dụng bước sóng rất ngắn này cho phép xác định các mẫu nhỏ hơn và dày đặc hơn nhiều trên các tấm silicon, điều này mở ra khả năng tích hợp hàng tỷ bóng bán dẫn vào một con chip duy nhất. Mỗi thế hệ nút quang khắc mới (7 nm, 5 nm, 3 nm, 2 nm, 1,8 nm…) đều đi kèm với các chip nhanh hơn, với dung lượng lớn hơn và… mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn đáng kể.

Công nghệ quang khắc, dù sử dụng tia DUV hay EUV, về cơ bản bao gồm: Chiếu một mẫu hình học lên một tấm bán dẫn được phủ lớp chất cản quang.Loại polyme quang này sẽ bị biến đổi khi được chiếu sáng chọn lọc qua một mặt nạ (hoặc mặt nạ quang học), sao cho các vùng được chiếu sáng trở nên hòa tan hoặc không hòa tan, cho phép khắc các cấu trúc siêu nhỏ lên chất nền. Với EUV, nguyên lý vật lý tương tự, nhưng độ phức tạp kỹ thuật của hệ thống tăng lên đáng kể.

Một thực tế quan trọng là Bước sóng 13,5 nm nhỏ hơn hơn mười lần. so với loại được sử dụng trong máy quét ArF (193 nm). Nhờ đó, thiết bị EUV có thể in các chi tiết nhỏ hơn 20 nm, điều mà công nghệ in thạch bản truyền thống chỉ có thể đạt được với các kỹ thuật đa mẫu rất phức tạp, chậm và tốn kém.

Cách thức tạo ra và xử lý ánh sáng EUV

Tạo ra ánh sáng 13,5 nm một cách có kiểm soát và với công suất cần thiết là một trong những thách thức kỹ thuật chính của công nghệ nàyTrong các hệ thống hiện tại, một nguồn laser CO₂ công suất cao Nó bắn ra hai xung cực nhanh vào một giọt thiếc lỏng nhỏ đang chuyển động. Xung đầu tiên làm biến dạng giọt thiếc; xung thứ hai, mạnh hơn, làm bốc hơi giọt thiếc, tạo thành plasma.

Plasma thiếc nóng này phát ra bức xạ EUV, được thu bởi một gương thu và truyền đến phần còn lại của hệ thống quang học. Toàn bộ quá trình này lặp lại với tốc độ ấn tượng, khoảng... 50.000 veces bởi segundoTạo ra dòng ánh sáng đủ mạnh để duy trì tốc độ sản xuất công nghiệp.

Vì bức xạ EUV bị không khí hấp thụ, nên đường đi của nó từ nguồn đến tấm bán dẫn phải nằm bên trong không khí. buồng chân không chất lượng caoHơn nữa, bất kỳ hạt bụi nào hoặc bất kỳ sự bất thường nhỏ nhất nào trong các thành phần quang học đều có thể làm hỏng hình ảnh được chiếu, do đó yêu cầu về độ sạch, độ ổn định cơ học và khả năng kiểm soát rung động là vô cùng khắt khe.

Quang học phản xạ, gương bất khả thi và mặt nạ đặc biệt

Không giống như công nghệ in thạch bản DUV sử dụng thấu kính truyền dẫn và mặt nạ thạch anh trong suốt, công nghệ in thạch bản EUV dựa trên... quang học phản xạ hoàn toànLý do rất đơn giản: hầu hết mọi vật liệu, bao gồm cả thủy tinh được sử dụng trong các thấu kính truyền thống, đều hấp thụ ánh sáng có bước sóng 13,5 nm.

Thay vì sử dụng thấu kính, hệ thống EUV sử dụng một hệ thống bao gồm... gương đa lớp siêu chính xác Các gương này dẫn hướng và hội tụ chùm tia từ nguồn đến tấm bán dẫn. Chúng được cấu tạo từ hàng chục lớp vật liệu khác nhau xen kẽ nhau, được lắng đọng với độ chính xác ở cấp độ nguyên tử, cho phép chúng phản xạ bức xạ EUV với hiệu suất cao nhất có thể trong giới hạn vật lý.

Tuy nhiên, ngay cả với những giải pháp tiên tiến này, mỗi gương vẫn hấp thụ một phần đáng kể ánh sáng mà nó nhận được. Hệ thống hiện tại của ASML sử dụng ít nhất hai gương hội tụ và sáu gương chiếu, và cùng nhau, Khoảng 96% lượng ánh sáng phát ra bị mất đi.Điều này đòi hỏi nguồn EUV phải cực kỳ sáng để sau tất cả các lần phản xạ, đủ năng lượng truyền đến được tấm bán dẫn.

Các mặt nạ cũng khác nhau: thay vì là các tấm trong suốt có các vùng mờ đục, EUV sử dụng mặt nạ phản quangChúng cũng được cấu tạo nhiều lớp, với các hoa văn được khắc nổi và các lớp phủ điều chỉnh sự phản xạ. Bất kỳ lỗi nào trong mặt nạ hoặc gương đều ngay lập tức dẫn đến lỗi in ấn và do đó, tạo ra các tấm bán dẫn bị lỗi.

Điều gì làm cho máy EUV của ASML trở nên đặc biệt?

Các máy quang khắc EUV do công ty ASML của Hà Lan sản xuất, theo đúng nghĩa đen, một số cỗ máy phức tạp nhất từng được chế tạoMột thiết bị EUV thế hệ đầu tiên duy nhất tích hợp hơn 100.000 bộ phận, khoảng 3.000 dây cáp, 40.000 bu lông và khoảng hai ki-lô-mét dây điện bên trong. Và tất cả những điều này được phối hợp hoàn hảo bởi phần mềm điều khiển cực kỳ tinh vi.

Mức độ phức tạp này khiến thiết bị trở nên khổng lồ: mỗi máy chiếm một không gian tương đương với một... xe buýt thành phố Và nó đòi hỏi nhiều mô-đun phụ trợ, hệ thống làm mát, thiết bị chân không và thiết bị điện tử chính xác. Hơn nữa, chúng không được vận chuyển ở dạng lắp ráp hoàn chỉnh; chúng được vận chuyển trong hàng trăm thùng và được lắp ráp và hiệu chỉnh tại chỗ ở các nhà máy của khách hàng.

Phần lớn thành công của ASML đến từ mạng lưới các đối tác công nghệ của công ty. Khoảng 90% linh kiện của những máy móc này đến từ các nhà sản xuất khác. Được phân phối rộng khắp thế giới. Trong số đó, hai cái tên nổi bật là Cymer và ZEISS, cả hai đều vô cùng cần thiết để công nghệ in thạch bản EUV hoạt động đúng cách.

Đóng góp của ZEISS: Quang học ở giới hạn của vật lý

Đối tác quan trọng khác là ZEISS, một công ty quang học chính xác cao lâu đời của Đức. ZEISS thiết kế và sản xuất các sản phẩm... các thành phần quang học phản xạ của thiết bị EUV Từ ASML, từ các gương thu ban đầu đến hệ thống quang học chiếu phức tạp chuyển mẫu hình lên silicon.

Những tấm gương này phải hoạt động với bước sóng là 13,5 nm duy trì tính đồng nhất và độ chính xác của dạng sóng cực đoan. Độ phẳng của bề mặt đến mức, nếu một tấm gương được phóng to đến kích thước của một quốc gia, thì các chỗ gồ ghề sẽ nhỏ hơn chiều cao của một ngọn cỏ. Bất kỳ sự sai lệch nhỏ nhất nào cũng sẽ làm hỏng hoa văn và khiến miếng wafer không thể sử dụng được.

Ngoài sản xuất gương, ZEISS còn tham gia vào việc phát triển... cảm biến và bộ truyền động tự động điều chỉnh trong thời gian thực Hệ thống này phát hiện các biến dạng, dịch chuyển hoặc rung động nhỏ có thể xảy ra trong quá trình hoạt động. Nó cũng cung cấp phần mềm liên tục giám sát hoạt động của hệ thống quang học và đảm bảo hệ thống luôn nằm trong phạm vi dung sai cực kỳ nhỏ.

EUV khẩu độ số cao (High-NA EUV): thế hệ mới phá vỡ rào cản 3nm

Sau nhiều năm củng cố thế hệ thiết bị EUV đầu tiên, ASML đã tiến thêm một bước nữa với các máy móc của mình. khẩu độ số cao, được gọi là High-NA EUVMẫu thương mại tiêu biểu nhất là Twinscan EXE:5200, hiện được coi là thiết bị in thạch bản tiên tiến nhất trên thế giới.

Điểm mấu chốt của các hệ thống mới này nằm ở việc tăng khẩu độ số của hệ thống quang học: từ NA = 0,33 trong các thiết bị EUV hiện tại lên... NA = 0,55 trong High-NANói một cách khái quát, điều này cho phép in các chi tiết thậm chí còn nhỏ hơn ở cùng bước sóng 13,5 nm, cải thiện độ phân giải của các họa tiết được chuyển lên tấm wafer.

Nhờ sự cải tiến này, thiết bị EUV có độ khẩu độ cao (High-NA) mở ra cơ hội sản xuất mạch tích hợp. vượt quá ngưỡng thương mại 3 nm, cho phép các nút có kích thước khoảng 2 nm và thậm chí cả công nghệ 18A (1,8 nm) mà Intel dự định sử dụng. Hơn nữa, ASML đã tối ưu hóa các hệ thống cơ khí và xử lý wafer để một máy High-NA duy nhất có thể xử lý hơn 200 wafer mỗi giờ, điều này rất quan trọng để duy trì chi phí cạnh tranh cho mỗi chip.

Giá của một máy High-NA ước tính vào khoảng... 300 triệu đô la mỗi chiếcMức giá này xấp xỉ gấp đôi so với công nghệ EUV thế hệ đầu tiên, vốn có giá khoảng 150 triệu đô la. Tuy nhiên, đối với các nhà sản xuất muốn đi trước đón đầu xu hướng, đây thực sự là một khoản đầu tư không thể thiếu.

Một thế độc quyền công nghệ với tác động địa chính trị to lớn.

Trong thị trường in thạch bản EUV, có một sự thật không thể phủ nhận: ASML là nhà sản xuất duy nhất có khả năng sản xuất những cỗ máy này. trên quy mô công nghiệp. Vị thế độc quyền này mang lại cho họ quyền lực chưa từng có trong chuỗi giá trị bán dẫn.

Các tập đoàn khổng lồ như TSMC, Samsung và Intel đều dựa vào thiết bị EUV của ASML để sản xuất những con chip tiên tiến nhất của họ. Khoảng một phần tư thu nhập Doanh thu của ASML hiện đã đến trực tiếp từ việc bán các hệ thống EUV, chưa bao gồm các hợp đồng dịch vụ, nâng cấp, đào tạo và bảo trì.

Lĩnh vực công nghệ này cũng có một chiều kích địa chính trị rõ ràngCăng thẳng giữa Hoa Kỳ và Trung Quốc đã đưa công nghệ in thạch bản EUV trở thành tâm điểm của cuộc tranh luận. Washington đã gây áp lực lên Hà Lan để hạn chế xuất khẩu các máy móc tiên tiến nhất của nước này sang Trung Quốc, nhằm mục đích ngăn chặn quốc gia châu Á này tiếp cận các công nghệ sản xuất chip tiên tiến. Trong khi đó, các nhà sản xuất Nhật Bản như Canon đang tìm kiếm các giải pháp thay thế như in thạch bản nano (NIL), về mặt lý thuyết có khả năng sản xuất chip 2nm, nhưng hiện tại, EUV vẫn là tiêu chuẩn thực tế hàng đầu về công nghệ.

Vì sao công nghệ in thạch bản EUV lại quan trọng đối với các chip hiện nay?

Tầm quan trọng của công nghệ in thạch bản EUV được hiểu rõ nhất khi xem xét các thiết bị chúng ta sử dụng hàng ngày. Nhiều trong số đó... điện thoại thông minh, đồng hồ thông minh, máy chơi game và máy tính gần đây hơn, cả về khía cạnh của chúng thiết kế chip Giống như trong quy trình sản xuất, họ sử dụng CPU, GPU, SoC và bộ nhớ được sản xuất bằng công nghệ 7nm, 5nm hoặc thấp hơn, trong đó EUV đã trở nên thiết yếu đối với một số lớp nhất định của quy trình.

Ví dụ, Samsung đã thông báo về việc sử dụng công nghệ EUV để sản xuất sản phẩm của mình. Các chip 7nm được gọi là 7LPPNhững công nghệ này sẽ đóng vai trò nền tảng trong việc cho phép xây dựng mạng 5G dung lượng cao, các ứng dụng trí tuệ nhân tạo tiên tiến, Internet vạn vật và hệ thống lái tự động. Theo công ty, việc chuyển sang EUV cho phép giảm tới 50% mức tiêu thụ năng lượng, tăng 20% ​​hiệu suất và giảm khoảng 40% diện tích chiếm dụng so với các công nghệ dựa trên ArF đa mẫu trước đây.

Các công ty như Apple, Huawei và các nhà thiết kế chip lớn khác cũng dựa vào chúng. Các xưởng đúc sử dụng EUV Để có thể cung cấp các thiết bị nhanh hơn và hiệu quả hơn. Và không chỉ là về sức mạnh thô: giảm mức tiêu thụ điện năng và nhiệt lượng là rất quan trọng để điện thoại di động, máy tính xách tay và máy chủ hoạt động tốt hơn trong giới hạn nhiệt độ hợp lý.

Ưu điểm chính của công nghệ in thạch bản EUV so với DUV

Ưu điểm chính đầu tiên của công nghệ in thạch bản EUV là khả năng... in các chi tiết nhỏ hơn nhiềuVới bước sóng ngắn như vậy và khẩu độ số phù hợp, có thể chế tạo các cấu trúc mà với cùng kích thước chip, số lượng bóng bán dẫn có sẵn tăng lên nhiều lần so với các công nghệ trước đây.

Điều này có nghĩa là các loại chip có Khả năng xử lý lớn hơn, bộ nhớ tích hợp nhiều hơn Và trên hết, mức tiêu thụ năng lượng cho mỗi thao tác giảm đáng kể. Đối với các trung tâm dữ liệu, mạng truyền thông hoặc các ứng dụng AI quy mô lớn, sự cải thiện về hiệu quả năng lượng này có tác động mạnh mẽ đến chi phí vận hành.

Ưu điểm thứ hai liên quan đến quy trình: EUV cho phép giảm số bước in thạch bản cần thiết Để đạt được cùng một kiểu mẫu. Trong khi các phương pháp ArF và đa mẫu có thể yêu cầu ba hoặc bốn lần chiếu xạ khác nhau để đạt được cấu trúc phức tạp, EUV thường chỉ cần một lần. Điều này đơn giản hóa quy trình sản xuất, cải thiện năng suất và có thể giảm chi phí trên mỗi chip trong trung hạn.

Hơn nữa, nhờ khả năng tập trung nhiều chức năng hơn trên một diện tích bề mặt nhỏ hơn, nó mở ra cánh cửa cho các kiến ​​trúc hệ thống trên chip tích hợp ngày càng cao, với các khối CPU, GPU, bộ tăng tốc AI, bộ nhớ và logic chuyên dụng cùng tồn tại trên cùng một mảnh silicon — điều này chỉ khả thi khi... mật độ tích hợp rất cao.

Những nhược điểm và hạn chế hiện tại của EUV

Trở ngại chính đối với công nghệ in thạch bản EUV, không thể phủ nhận, chính là... chi phí khổng lồ của các máy móc và cơ sở hạ tầng mà chúng yêu cầu. Chúng ta không chỉ nói về thiết bị có giá dễ dàng vượt quá một trăm triệu đô la mỗi đơn vị, mà còn cả toàn bộ nhà máy được thiết kế xung quanh chúng, với phòng sạch tiên tiến, nguồn điện cực mạnh và hệ thống hỗ trợ cực kỳ phức tạp.

Điều này có nghĩa là chỉ một vài nhà máy đúc và nhà sản xuất chip hàng đầu—TSMC, Samsung, Intel và một vài công ty khác—mới đủ khả năng triển khai công nghệ EUV trên quy mô lớn. Phần lớn các công ty còn lại trong ngành vẫn tiếp tục sử dụng công nghệ in thạch bản DUV, vốn có giá cả phải chăng hơn và hoàn toàn đáp ứng được mục đích sử dụng. chip kém tiên tiến hơn Ví dụ như những thiết bị được sử dụng trong ngành ô tô, điện tử tiêu dùng cơ bản và nhiều hệ thống công nghiệp.

Ngoài ra, công nghệ vẫn còn nhiều hạn chế. những thách thức kỹ thuật Các yếu tố quan trọng bao gồm: công suất của nguồn sáng, tuổi thọ của lớp phủ quang học chống lại bức xạ năng lượng cao, độ phức tạp của mặt nạ phản xạ và nhu cầu duy trì năng suất cao mà không gây ra lỗi trên mỗi tấm wafer — những vấn đề này tiếp tục được hoàn thiện qua từng thế hệ.

ASML, Intel, Samsung và TSMC: một chuỗi các mối quan hệ phụ thuộc lẫn nhau.

Sự hợp tác giữa ASML và các nhà sản xuất chip lớn không chỉ đơn thuần là mối quan hệ khách hàng-nhà cung cấp. Ví dụ, Intel đã đầu tư khoảng 4.000 tỷ đô la trong ASML năm 2012 Hỗ trợ phát triển các máy EUV đầu tiên, đảm bảo quyền ưu tiên tiếp cận công nghệ và tích cực tham gia vào quá trình phát triển của nó.

Hiện tại, ASML đang cung cấp các hệ thống EUV High-NA đầu tiên cho các khách hàng chiến lược. Hệ thống Twinscan EXE:5200 đầu tiên đã được giao đến một nhà máy của Intel tại Hillsboro, California, một động thái phù hợp với lộ trình của công ty nhằm đạt được công nghệ 18A (1,8 nm) vào nửa cuối thập kỷ này. Thu hẹp khoảng cách với TSMC và Samsung trong cuộc đua giành vị trí dẫn đầu về công nghệ.

Trong khi đó, Samsung và TSMC đang cạnh tranh nhau cả về năng lực sản xuất EUV hiện có và quyền ưu tiên trong các lô hàng của ASML. Tình trạng chậm trễ xuất khẩu—vốn trầm trọng hơn do đại dịch COVID-19—đôi khi đã buộc họ phải thực hiện các biện pháp can thiệp. điều chỉnh lại lộ trìnhHoãn sản xuất thử nghiệm các nút công nghệ như 3nm và tổ chức lại việc phân bổ tấm wafer cho các khách hàng giá trị cao như Apple, Qualcomm hoặc các nhà sản xuất ô tô lớn.

Toàn bộ hệ sinh thái này đồng nghĩa với việc sự sẵn có của các hệ thống EUV, tốc độ giao hàng của ASML và khả năng thích ứng của Cymer, ZEISS và các nhà cung cấp khác đã trở thành những yếu tố quyết định trong việc xác định. Những công ty và quốc gia nào đang dẫn đầu xu hướng? trong ngành công nghiệp bán dẫn thế hệ tiếp theo.

Công nghệ quang khắc cực tím (EXPC) đã khẳng định vị thế là chìa khóa để duy trì Định luật Moore, sản xuất chip 7, 5 và 3 nm, và đang tiến tới chip 2 nm và nhỏ hơn, nhưng đồng thời cũng là nguồn tài nguyên khan hiếm và cực kỳ đắt đỏ, do một số ít nhà sản xuất kiểm soát. Hiểu được vật lý, những thách thức và thị trường của công nghệ này giúp chúng ta thấy tại sao điện thoại di động, ô tô hay dịch vụ đám mây mà chúng ta sử dụng hàng ngày lại phụ thuộc vào một vài cỗ máy khổng lồ rải rác khắp thế giới. Khả năng của ASML và các đối tác trong việc tiếp tục vượt qua những giới hạn của công nghệ EUV..

Bài viết liên quan:

Apple và Intel đang chuẩn bị một liên minh mới để sản xuất chip dòng M tiếp theo.

Alberto navarro

Tôi là một người đam mê công nghệ và đã biến sở thích “đam mê” của mình thành một nghề. Tôi đã dành hơn 10 năm cuộc đời mình để sử dụng công nghệ tiên tiến và mày mò đủ loại chương trình chỉ vì tò mò. Bây giờ tôi chuyên về công nghệ máy tính và trò chơi điện tử. Điều này là do trong hơn 5 năm, tôi đã viết cho nhiều trang web khác nhau về công nghệ và trò chơi điện tử, tạo ra các bài viết nhằm cung cấp cho bạn thông tin bạn cần bằng ngôn ngữ mà mọi người đều có thể hiểu được.

Nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào, kiến ​​thức của tôi bao gồm mọi thứ liên quan đến hệ điều hành Windows cũng như Android dành cho điện thoại di động. Và cam kết của tôi là với bạn, tôi luôn sẵn sàng dành một vài phút và giúp bạn giải quyết mọi thắc mắc mà bạn có thể có trong thế giới internet này.