Litografia EUV od kuchni. Poznaj zasady funkcjonowania, wyzwania i przyszłość technologii półprzewodników

Produkcja nowoczesnych mikroprocesorów to jeden z najbardziej skomplikowanych procesów technologicznych na świecie. W jego sercu leży litografia, metoda pozwalająca na "drukowanie" miliardów tranzystorów na niewielkich płytkach krzemu. Od dekad inżynierowie przesuwają granice tej techniki, dążąc do coraz większej miniaturyzacji. Obecnie najważniejszą rolę odgrywa tu technologia, która jeszcze niedawno wydawała się niemożliwa do wdrożenia na masową skalę.

Litografia EUV to szczyt ludzkiej inżynierii. Jest to technologia tak złożona i precyzyjna, że jej działanie zakrawa na magię, a od jej rozwoju zależy przyszłość całej cyfrowej cywilizacji.

ASML i europejscy producenci sprzętu półprzewodnikowego zwolnieni z ceł USA dzięki nowej umowie handlowej UE-USA

Holenderska firma ASML jest jedynym na świecie producentem maszyn do litografii w ekstremalnym ultrafiolecie (EUV). Technologia ta wykorzystuje światło o fali długości 13,5 nanometra do tworzenia niewyobrażalnie małych wzorów na waflach krzemowych. Dzięki niej powstają najbardziej zaawansowane procesory i układy pamięci, które znajdziecie w dzisiejszych smartfonach, komputerach i centrach danych. Bez maszyn ASML nie byłoby możliwe kontynuowanie prawa Moore'a, które zakłada podwajanie liczby tranzystorów w układach scalonych co około dwa lata. 

Intel inwestuje w High‑NA EUV i rozwija tranzystory CFET. Nowa strategia walki o przewagę w zaawansowanej produkcji chipów

Proces zachodzący wewnątrz maszyny EUV jest niezwykle skomplikowany. Wszystko odbywa się w próżni, ponieważ światło EUV jest pochłaniane przez niemal każdą materię, w tym powietrze. Wytworzenie samego światła wymaga precyzji na kosmicznym poziomie. Wysokoenergetyczny laser CO2, wyprodukowany przez firmę TRUMPF, strzela 50 000 razy na sekundę w mikroskopijne krople cyny. Każda kropla jest trafiana podwójnie. Pierwszy impuls lasera ją spłaszcza, a drugi, znacznie mocniejszy, podgrzewa do temperatury 220 000 stopni Celsjusza, tworząc plazmę, która emituje światło EUV.

TSMC otrzyma wkrótce pierwszą partę sprzętu High NA EUV, który posłuży do produkcji najbardziej zaawansowanych chipów

Światło to jest następnie kierowane przez system luster wyprodukowanych przez firmę ZEISS. Są to najbardziej precyzyjne lustra, jakie kiedykolwiek stworzono. Zbudowane są z kilkudziesięciu naprzemiennych warstw krzemu i molibdenu. Każde z luster odbija tylko około 70 proc. światła EUV, a ponieważ w systemie jest ich kilka, do wafla krzemowego dociera zaledwie niewielki ułamek pierwotnej energii. Lustra te odbijają wzór z fotomaski, która zawiera projekt jednej warstwy chipa, i z czterokrotnym pomniejszeniem przenoszą go na wafel krzemowy pokryty światłoczułą warstwą zwaną fotorezystem. 

Uniwersytet Zhejiang prezentuje maszynę litograficzną e-beam o precyzji 0,6 nm jako alternatywę dla technologii ASML EUV

Technologia EUV, mimo swojej rewolucyjności, stoi przed licznymi wyzwaniami. Koszt jednej maszyny przekracza 150 mln dolarów, a jej obsługa wymaga ogromnej ilości energii i specjalistycznej wiedzy. Jednakże ASML już pracuje nad kolejną generacją maszyn, tzw. High-NA EUV, które mają pojawić się na rynku w okolicach 2026 roku. Pozwolą one na dalszą miniaturyzację, schodząc poniżej 2 nanometrów, co jest ważne dla planów rozwoju takich firm jak Intel, TSMC czy Samsung. Choć pojawiają się alternatywne technologie, jak chińska litografia elektronowiązkowa, na razie nie są one w stanie zagrozić dominacji ASML w masowej produkcji najbardziej zaawansowanych układów.

Znamy plany TSMC wobec litografii 1,4 nm. Wydatki mogą wzrosnąć do 49 miliardów dolarów

Wnioski płynące z analizy technologii EUV są jednoznaczne. Mimo ogromnych kosztów i złożoności, jest to obecnie jedyna droga do tworzenia coraz mniejszych i bardziej wydajnych procesorów, które napędzają postęp technologiczny. Dominacja firmy ASML na tym polu jest niezagrożona, a jej rozwój będzie w najbliższych latach dyktował tempo ewolucji całej branży elektronicznej. Inwestycje w technologię High-NA dowodzą, że prawo Moore'a, choć wielokrotnie uznawane za martwe, dzięki ludzkiej innowacyjności wciąż pozostaje w mocy.