Vad är EUV och hur fungerar det?

Extremt ultraviolett (EUV) ljusteknik är en viktig drivkraft för förändringar inom halvledarindustrin. Litografi, metoden som används för att skriva ut invecklade mönster på halvledarmaterial, har utvecklats genom att använda allt kortare våglängder sedan början av halvledaråldern. EUV-litografi är den kortaste hittills.

Under utveckling i decennier var den första EUV-litografimaskinen köpt i omgångar och redo för produktion från ASML, det holländska halvledarföretaget.

Vad är EUV-litografi?

EUV-ljus hänvisar till det extrema ultravioletta ljuset som används för mikrochiplitografi, vilket innebär att mikrochipskivan beläggs med ett ljuskänsligt material och försiktigt exponeras för ljus. Detta trycker ett mönster på wafern, som används för ytterligare steg i mikrochipdesignprocessen.

Datorernas historia är halvledarindustrins historia, som i sin tur är historien om den obevekliga strävan efter miniatyrisering. I sektorns inledande fas från 1950-talet till mitten av 80-talet gjordes fotolitografi genom UV-ljus och fotomasker för att projicera kretsmönster på kiselskivor.

Under denna tid, Moores lag– 1960-talets påstående om att antalet transistorer på ett mikrochip skulle fördubblas vartannat år – började stöta på de fysiska gränserna för denna process. Detta innebar att de svindlande ökningarna av datorkraft och minskade teknikkostnader för konsumenterna också riskerade att nå en gräns. Från 1980-talet till 2000-talet drev djup ultraviolett (DUV) litografi nästa generations miniatyrisering, med kortare våglängder i intervallet 153 till 248 nanometer, vilket möjliggjorde mindre avtryck på kiselskivorna av halvledare.

Inför det nya millenniet letade forskare och konkurrerande företag över hela världen efter genombrott för att göra EUV-litografi och dess ännu kortare våglängder möjliga. ASML färdigställde en prototyp 2003, även om det skulle ta ytterligare ett decennium att utveckla ett system redo för produktion.

Med några års mellanrum sedan dess har ASML levererat nästa iteration av sina EUV litografisystem med mer kapacitet för produktion och våglängder ner till 13,5 nanometer. Detta möjliggör otroligt exakta mikrochipsdesigner och den tätaste möjliga placeringen av transistorer på mikrochips – kort sagt, det möjliggör högre datorhastigheter.

Hur EUV-litografi fungerar

ASML: s EUV litografisystem avger ljus med våglängder på cirka 13,5 nanometer, vilket är betydligt kortare än våglängder som användes i den tidigare generationen av DUV-litografi, vilket gör att finare mönster kan skrivas ut på halvledare oblat. De mest avancerade mikrochipsen kan ha noder så små som 7, 5 och 3 nanometer, som tillverkas genom att halvledarskivorna upprepade gånger passerar genom EUV-litografisystemet.

Även om du inte kommer att kunna följa dessa steg i din garageverkstad för att tillverka halvledare, är de viktiga för att förstå hur den involverade tekniken kan avanceras och var potentiella investeringsfonder kan vara bäst placerad. Först riktas en högintensiv laser mot ett material (vanligtvis tenn) för att generera plasma (laddade elektroner och protoner i rörelse). Plasman avger sedan EUV-ljus vid en våglängd på cirka 13,5 nanometer.

Det genererade ljuset samlas in och riktas genom en serie speglar och optik genom en mask eller riktmedel som en krets mönstret placeras i vägen för EUV-ljuset, på ett sätt som är löst analogt med att använda en stencil för att måla ett mönster på en styrelse. Ett material som kallas fotoresist på wafern är känsligt för EUV-ljus, och de områden som utsätts för det genomgår en kemisk förändring och etsas sedan. Nya material kan sedan deponeras i de etsade områdena för att bilda mikrochipets olika komponenter. Denna process kan upprepas upp till 100 gånger med olika masker för att skapa flerskiktiga, komplexa kretsar på en enda skiva.

Efter dessa steg genomgår skivan ytterligare processer för att avlägsna föroreningar och göra chipet redo att skivas till individuella chips. De förpackas sedan för användning i elektroniska enheter.

EUV vs. DUV Litografi

Medan stora inköp av EUV litografisystem har drivit nyheter inom supraledarindustrin, givet de dramatiska kostnaderna och de tekniska framstegen det skulle kunna medföra, är DUV-litografi fortfarande mer utbredd Begagnade. Det har fördelen att redan vara med tillverkning anläggningar med personal utbildad i dess användning.

EUV-litografi, med sina extremt korta våglängder på cirka 13,5 nanometer, möjliggör finare etsning av mindre detaljer på chips. Å sin sida arbetar DUV-litografi vid våglängder som börjar på 153 nanometer. Även om chiptillverkare kan använda detta för konstruktioner med storlekar så små som 5 nanometer eller mindre, trycker du på fysiks gränser, DUV-ljus kan endast användas för storlekar under 10 nanometer med förlust i upplösning kvalitet.

EUV litografisystem kommer inte bara med startkostnaderna för nyare teknologier utan är också i sig dyrare än utrustningen och underhållet för DUV litografi. Till exempel EUV litografisystem installerade av Intel 2023 kostade $150 miljoner vardera. Denna kostnad gör DUV-litografisystem att föredra för användningar där EUV-litografins mindre storlek är onödig.

DUV-litografi är också en känd kvantitet: Det finns inget behov av ytterligare utbildning, nya faciliteter och andra stora kapitalinvesteringar som EUV-ljussystem kräver. DUV-ljusteknik behövs fortfarande för många chips i telefoner, datorer, bilar och robotar, och den har visat sig robust och mångsidig. Dess relativt enklare processer gör också att DUV-litografi kan producera fler chips per enhet tid än EUV litografi, en viktig punkt till dess fördel i ljuset av den globala efterfrågan på halvledare.

Många förväntar sig att DUV-litografi kommer att förbli populär i många år framöver. Detta beror delvis på priset för EUV-litografi och de tekniska problem som kommer med all ny teknik. Dessutom har DUV-litografitekniken inte fastnat, utan fortsätter att förbättra hur den hjälper till att skapa de chips som finns i de många elektroniska enheterna i vårt dagliga liv.

Branschen är sannolikt i en övergång, och medan EUV-ljus kommer att spela en allt mer central roll i chiptillverkning, DUV-litografi är fortfarande avgörande för produktionen av elektronik som används i vår vardag liv.

Fördelar och nackdelar med EUV-litografi

EUV-litografi är en relativt ny teknik som medför många fördelar och några nackdelar att överväga.

Fördelar

EUV-litografi ger många fördelar som kan leda till framtida utvecklingar inom mikrochipproduktion. Här är två av anledningarna till att halvledarföretag som Intel investerar så mycket i tekniken:

• EUV-ljus kan producera mer komplexa och fina mönster på kiselskivor, vilket gör att fler transistorer kan placeras på ett mikrochip.
• EUV-litografi minskar antalet mönsterlager (maskantal) som krävs för att skapa en krets.

Nackdelar

EUV-litografi har många fördelar, men som en ny teknik är det viktigt att överväga dess nackdelar.

• EUV litografisystem är dyrare än andra system för mikrochiplitografi.
• ASML är det enda företaget som tillverkar dessa system, vilket kan skapa en flaskhals för företag som vill använda EUV-litografi eller behöver support för sina maskiner.

Poängen

EUV-ljus används i mikrochiplitografi för att producera de mönster som krävs för att skapa ett mikrochip, dock i mycket mindre storlekar än från tidigare litografiska tekniker. Men på grund av dess nyhet är det bara ett företag – ASML – som tillverkar maskiner som använder det, och de är dyra. När tekniken mognar bör den spela en central roll i den framtida utvecklingen av mikrochipsproduktion.