في عام 2022، بلغ حجم سوق أشباه الموصلات حوالي 0.6 تريليون دولار أمريكي، ويتوقع المحللون التجاريون أن يتضاعف إلى 1.0-1.3 تريليون دولار أمريكي بحلول عام 2030. ويمكن ملاحظة النمو الكبير في صناعة أشباه الموصلات في عملية الطباعة الحجرية. الطباعة الحجرية هي عملية نقش تنقل تصميمًا مسطحًا على سطح ركيزة من الرقاقة، مما يؤدي إلى إنشاء هياكل معقدة مثل الترانزستورات والوصلات البينية. يتم تحقيق ذلك عن طريق تعريض البوليمرات الحساسة للضوء أو مقاومات الضوء بشكل انتقائي لضوء أطوال موجية محددة من خلال عملية معقدة متعددة الخطوات. خلقت التطورات الحديثة في تكنولوجيا الطباعة الحجرية ميزة تنافسية في إنتاج أشباه الموصلات المتطورة، مما مكّن التقنيات المتقدمة مثل الذكاء الاصطناعي (AI)، واتصالات الجيل الخامس (5G)، والحوسبة الفائقة. ولذلك فإن تكنولوجيا أشباه الموصلات المتقدمة لها تأثير على الأمن القومي والازدهار الاقتصادي.

حاليًا، تستخدم عملية الطباعة الحجرية لأشباه الموصلات الأكثر تقدمًا مصدر ضوء EUV (الأشعة فوق البنفسجية القصوى)، خاصة عند طول موجة يبلغ 13.5 نانومتر. يسمح ضوء EUV ببناء ميزات وحدة أصغر داخل أشباه الموصلات. تم الإبلاغ عن أن تكلفة أنظمة EUVL تبلغ حاليًا حوالي 150 مليون دولار أمريكي، وتم نشرها لأول مرة بواسطة ASML في عام 2019، والتي تحتفظ بحصة سوقية تبلغ 100٪. حتى الآن، قامت ASML بشحن ثلاثة نماذج مختلفة من أنظمة EUVL، وهي Twinscan NXE: 3400B/C وNXE: 3600D. وارتفع إجمالي شحنات أنظمة NXE من 31 وحدة في الربع الأول من عام 2019 إلى 181 وحدة في الربع الأخير من عام 2022.

تنظيم هذا التقرير هو على النحو التالي. يتضمن الجزء المتبقي من المقدمة الخلفية التقنية لـ EUVL، والوضع الدولي والمحلي لـ EUVL، ونظرة عامة على برامج قياس البحث والتطوير بواسطة NIST وCHIPS. يحتوي القسم 2 على مناقشة الحالة الفنية ومتطلبات تقنية EUVL في اجتماعات مجموعة العمل. ويلخص القسم 3 نتائج المسح والتوصيات المتعلقة بكيفية المضي قدمًا والتي تمت مناقشتها في اجتماعات مجموعة العمل، وفي ختام التقرير.

1.1 الخلفية التقنية للطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية

يُعدّ ضوء EUV خطوةً حاسمةً في تصنيع رقائق أشباه الموصلات من الجيل التالي. يُولّد ضوء EUV بواسطة بلازما عالية الحرارة مُصنّعة من قصدير عالي النقاء. يُصهر القصدير الصلب في جهاز توليد قطرات يُنتج باستمرار أكثر من 3 ملايين قطرة بحجم 27 ميكرومتر في الدقيقة داخل حجرة مفرغة. يُشعّ ليزر ثاني أكسيد الكربون متوسط ​​القدرة، بقوة 25 كيلوواط، كل قطرة من القصدير بنبضتين متتاليتين لتكوين القطرة وتأيينها على التوالي. في البداية، يتم إنتاج كيلوواط من ضوء EUV، ولكن جزءًا صغيرًا فقط يصبح تعرضًا ليثوغرافيًا بسبب فقدان الامتصاص والتشتت على طول مسار الضوء. تُستنتج طاقة الخرج وجودة شعاع ضوء 13.5 نانومتر من خلال قياسات كاميرا الومض غير المباشرة. يُوجّه نظام مكثف متعدد الطبقات الضوء إلى المنطقة الحساسة للضوء. نظام المكثف محمي من بقايا القصدير بواسطة تدفق مستمر من غاز الهيدروجين. بعد كل تعريض، يتم التحقق من دقة التموضع التلقائي على مستوى الشريحة لتكون ≤ 0.25 نانومتر من خلال 20,000 دورة فحص وتعديل في الثانية. بشكل عام، تتطلب هذه العملية تنسيقًا دقيقًا بين العديد من الأنظمة الهندسية المختلفة. يوضح الشكل 1 صورة لمكونات EUVL من ASML.

1.2 الحالة الحالية والمستقبلية لتكنولوجيا الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية

يأتي النمو في تصنيع أشباه الموصلات المتقدمة من مرافق تصنيع الأشعة فوق البنفسجية الجديدة في الولايات المتحدة وأوروبا وآسيا. كما ذكرنا سابقًا، فإن الشركة الوحيدة التي تنتج حاليًا مكونات الماسح الضوئي EUVL هي ASML، ومقرها الرئيسي في هولندا. تبيع ASML مكونات الماسح الضوئي بالأشعة فوق البنفسجية لشركات مثل Intel وشركة تايوان لتصنيع أشباه الموصلات (TSMC) وSamsung في منشآت تصنيع أشباه الموصلات الخاصة بها. لم يتم إنشاء نظام EUVL في هولندا فحسب، بل يتكون من العديد من الوحدات التي تم تطويرها عالميًا، ثم يتم نقلها إلى المقر الرئيسي لشركة ASML في هولندا للتجميع النهائي والاختبار قبل التسليم للعملاء.

من وجهة نظر الولايات المتحدة، يقع مقر البحث والتطوير والتصنيع لمصدر الأشعة فوق البنفسجية الخاص بشركة ASML في سان دييغو، كاليفورنيا. يظهر في الشكل 2 مكون مصدر الضوء لمجموعة الماسح الضوئي EUVL. تجدر الإشارة إلى أن مكون مصدر الضوء يتضمن حاوية المصدر الموجودة داخل مجموعة الماسح الضوئي EUVL، بالإضافة إلى العديد من المكونات الموجودة أسفل أرضية التصنيع، بما في ذلك قياسات الليزر والشعاع أنظمة النقل، وقيادة الليزر والمعدات المساعدة لها. إن عملية المصدر التي يقع مقرها في سان دييغو هي نتيجة استحواذ ASML على Cymer في عام 2012 لتطوير تكنولوجيا مصدر الأشعة فوق البنفسجية. علاوة على ذلك، ونظراً لمزايا EUVL في تصنيع أشباه الموصلات، فقد قامت ضوابط التصدير مؤخراً بحماية هذه التكنولوجيا. على وجه التحديد، في أكتوبر 2022، أصدر مكتب الصناعة والأمن (BIS) القاعدة رقم 87FR62186، والتي تتضمن مراقبة تصدير التكنولوجيا، بما في ذلك الطباعة الحجرية فوق البنفسجية القصوى (ب.2).

ذكرت ASML أن التطوير المستقبلي لتكنولوجيا الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية يتضمن زيادة الفتحة الرقمية (NA) من 0.33 إلى 0.55 ("NA عالية"). يمكن استخدام NA العالي لتقليل عدد الخطوات متعددة الأوضاع التي يتطلبها 0.33 NA الحالي ويؤدي إلى دقة الأشكال الهندسية الدقيقة. يتوافق هذا مع خارطة الطريق الدولية الصادرة عن IEEE لعام 2022 للأجهزة والأنظمة (IRDS)، والتي تتطلب أن يستمر قياس الترانزستور إلى 0.5 نانومتر بحلول عام 2037. الهدف من منصة NA الجديدة هو تحسين سرعة الرقاقة وحالة الجسيمات، مما يتيح تحجيم ميزات الشريحة الهندسية. من المتوقع أن يتم شحن أنظمة NA العالية إلى العملاء في عام 2023 وتحقق الإنتاج الكامل بحلول عام 2025. في أوائل عام 2023، أعلنت ASML أنها حققت رقمين قياسيين جديدين للطاقة EUV، حيث تعمل بانبعاثات 600W EUV في الساعة، وتلبية NA EXE العالية: 5200 مواصفات ثبات الجرعة وتشغيل الحلقة المفتوحة 700 واط. ويمثل عرض 600 واط زيادة عن 250 واط التي تم تسليمها قبل خمس سنوات قبل تحقيق التصنيع بكميات كبيرة باستخدام الأشعة فوق البنفسجية.

يتبع...