Wat is EUV en hoe werkt het?

Extreem ultraviolet (EUV) lichttechnologie is een belangrijke motor voor verandering in de halfgeleiderindustrie. Lithografie, de methode die wordt gebruikt voor het printen van ingewikkelde patronen op halfgeleidermaterialen, heeft sinds het begin van het halfgeleidertijdperk vooruitgang geboekt door steeds kortere golflengten te gebruiken. EUV-lithografie is de kortste tot nu toe.

De eerste EUV-lithografiemachine, die al tientallen jaren in ontwikkeling was, werd in batches gekocht en was klaar voor productie ASML, het Nederlandse halfgeleiderbedrijf.

Wat is EUV-lithografie?

EUV-licht verwijst naar het extreem ultraviolette licht dat wordt gebruikt voor microchiplithografie, waarbij de microchipwafel wordt gecoat in een lichtgevoelig materiaal en deze zorgvuldig wordt blootgesteld aan licht. Hiermee wordt een patroon op de wafer afgedrukt, dat wordt gebruikt voor verdere stappen in het ontwerpproces van de microchip.

De geschiedenis van computers is de geschiedenis van de halfgeleiderindustrie, die op haar beurt de geschiedenis is van het meedogenloze streven naar miniaturisering. In de beginfase van de sector, van de jaren vijftig tot midden jaren tachtig, werd fotolithografie uitgevoerd met behulp van UV-licht en fotomaskers om circuitpatronen op siliciumwafels te projecteren.

Gedurende deze periode, De wet van Moore– de uitspraak uit de jaren zestig dat het aantal transistors op een microchip elke twee jaar zou verdubbelen – stuitte op de fysieke grenzen van dit proces. Dit betekende dat de duizelingwekkende toename van de rekenkracht en de lagere technologiekosten voor consumenten ook een limiet dreigden te bereiken. Van de jaren tachtig tot de jaren 2000 zorgde diep-ultraviolette (DUV)-lithografie voor de volgende generatie miniaturisatie, waarbij gebruik werd gemaakt van kortere golflengten in het bereik van 153 tot 248 nanometer, waardoor kleinere afdrukken op de siliciumwafels mogelijk waren van halfgeleiders.

In de aanloop naar het nieuwe millennium zochten onderzoekers en concurrerende bedrijven over de hele wereld naar doorbraken in het mogelijk maken van EUV-lithografie en de nog kortere golflengten ervan. ASML voltooide in 2003 een prototype, hoewel het nog tien jaar zou duren om een ​​systeem te ontwikkelen dat klaar was voor productie.

Sindsdien heeft ASML om de paar jaar de volgende iteratie van zijn EUV-lithografiesystemen geleverd met meer productiecapaciteit en golflengten tot 13,5 nanometer. Dit maakt ongelooflijk nauwkeurige microchipontwerpen en de dichtst mogelijke plaatsing van transistors op microchips mogelijk, kortom: het maakt hogere computersnelheden mogelijk.

Hoe EUV-lithografie werkt

De EUV-lithografiesystemen van ASML zenden licht uit met golflengten van ongeveer 13,5 nanometer, wat aanzienlijk korter is dan de golflengten die in de vorige generatie DUV-lithografie werden gebruikt, waardoor fijnere patronen op halfgeleiders konden worden afgedrukt wafeltjes. De meest geavanceerde microchips kunnen knooppunten hebben die zo klein zijn als 7, 5 en 3 nanometer, die worden gemaakt door de halfgeleiderwafels herhaaldelijk door het EUV-lithografiesysteem te laten gaan.

Hoewel u deze stappen in uw garagewerkplaats niet kunt volgen om halfgeleiders te maken, zijn ze wel belangrijk om te begrijpen hoe de betrokken technologie kan worden bevorderd en waar potentiële investeringsfondsen het beste kunnen zijn geplaatst. Eerst wordt een laser met hoge intensiteit op een materiaal (meestal tin) gericht om plasma te genereren (geladen elektronen en bewegende protonen). Het plasma zendt vervolgens het EUV-licht uit met een golflengte van ongeveer 13,5 nanometer.

Het gegenereerde licht wordt verzameld en door een reeks spiegels en optica geleid, via een masker of dradenkruis als circuit patroon wordt in het pad van het EUV-licht geplaatst, op een manier die losjes analoog is aan het gebruik van een stencil om een ​​patroon op een bord. Een materiaal dat fotoresist op de wafer wordt genoemd, is gevoelig voor EUV-licht, en de daaraan blootgestelde gebieden ondergaan een chemische verandering en worden vervolgens geëtst. Nieuwe materialen kunnen vervolgens in de geëtste gebieden worden afgezet om de verschillende componenten van de microchip te vormen. Dit proces kan tot 100 keer worden herhaald met verschillende maskers om meerlaagse, complexe circuits op één enkele wafer te creëren.

Na deze stappen ondergaat de wafel verdere processen om onzuiverheden te verwijderen en de chip gereed te maken om in afzonderlijke chips te worden gesneden. Vervolgens worden ze verpakt voor gebruik in elektronische apparaten.

EUV versus DUV-lithografie

Terwijl grote aankopen van EUV-lithografiesystemen voor nieuws in de supergeleiderindustrie hebben gezorgd Gezien de dramatische kosten en de technologische vooruitgang die dit met zich mee zou kunnen brengen, wordt DUV-lithografie nog steeds breder toegepast gebruikt. Het heeft het voordeel dat het al binnen is productie faciliteiten met personeel dat is opgeleid in het gebruik ervan.

EUV-lithografie, met zijn extreem korte golflengten van ongeveer 13,5 nanometer, maakt het fijner etsen van kleinere kenmerken op chips mogelijk. DUV-lithografie op zijn beurt werkt op golflengten vanaf 153 nanometer. Hoewel chipmakers dit kunnen gebruiken voor ontwerpen met afmetingen zo klein als 5 nanometer of minder, wordt de Grenzen van de natuurkunde kan DUV-licht alleen worden gebruikt voor formaten kleiner dan 10 nanometer met verlies aan resolutie kwaliteit.

EUV-lithografiesystemen brengen niet alleen de opstartkosten van nieuwere technologieën met zich mee, maar zijn ook inherent duurder dan de apparatuur en het onderhoud voor DUV-lithografie. EUV-lithografiesystemen zijn bijvoorbeeld geïnstalleerd door Intel in 2023 kosten ze elk $ 150 miljoen. Deze kosten zorgen ervoor dat DUV-lithografiesystemen de voorkeur genieten voor toepassingen waarbij het kleinere formaat van EUV-lithografie niet nodig is.

DUV-lithografie is ook een bekende hoeveelheid: er is geen behoefte aan aanvullende training, nieuwe faciliteiten en andere grote kapitaalinvesteringen die EUV-lichtsystemen vereisen. DUV-lichttechnologie is nog steeds nodig voor veel chips in telefoons, computers, auto's en robots, en is robuust en veelzijdig gebleken. De relatief eenvoudigere processen zorgen er ook voor dat DUV-lithografie meer chips per eenheid kan produceren tijd dan EUV-lithografie, een belangrijk punt in het voordeel van het land in het licht van de mondiale vraag naar halfgeleiders.

Velen verwachten dat DUV-lithografie nog jaren populair zal blijven. Dit komt gedeeltelijk door de prijs van EUV-lithografie en de technische problemen die met elke nieuwe technologie gepaard gaan. Bovendien blijft de DUV-lithografietechnologie niet op zijn plaats hangen, waardoor de manier waarop deze helpt bij het creëren van de chips die in de vele elektronische apparaten van ons dagelijks leven worden aangetroffen, blijft verbeteren.

De industrie bevindt zich waarschijnlijk in een transitie, en hoewel EUV-licht hierin een steeds centralere rol zal spelen chipproductie is DUV-lithografie nog steeds van cruciaal belang voor de productie van elektronica die in ons dagelijks leven wordt gebruikt leeft.

Voor- en nadelen van EUV-lithografie

EUV-lithografie is een relatief nieuwe technologie die veel voordelen en enkele nadelen met zich meebrengt.

Voordelen

EUV-lithografie brengt veel voordelen met zich mee die kunnen leiden tot toekomstige ontwikkelingen in de productie van microchips. Hier zijn twee redenen waarom halfgeleiderbedrijven zoals Intel zoveel in de technologie investeren:

• EUV-licht kan complexere en fijnere patronen op siliciumwafels produceren, waardoor er meer transistors op een microchip kunnen worden geplaatst.
• EUV-lithografie vermindert het aantal patroonlagen (aantal maskers) dat nodig is om een ​​circuit te creëren.

Nadelen

EUV-lithografie heeft veel voordelen, maar als nieuwe technologie is het belangrijk om rekening te houden met de nadelen ervan.

• EUV-lithografiesystemen zijn duurder dan andere systemen voor microchiplithografie.
• ASML is het enige bedrijf dat deze systemen produceert, wat een knelpunt zou kunnen vormen voor bedrijven die EUV-lithografie willen gebruiken of ondersteuning nodig hebben voor hun machines.

Het komt neer op

EUV-licht wordt gebruikt bij microchiplithografie om de patronen te produceren die nodig zijn om een ​​microchip te creëren, zij het in veel kleinere afmetingen dan bij eerdere lithografische technieken. Vanwege de nieuwigheid maakt slechts één bedrijf – ASML – machines die er gebruik van maken, en die zijn kostbaar. Naarmate de technologie volwassener wordt, moet deze een centrale rol gaan spelen in toekomstige ontwikkelingen in de productie van microchips.