Im Jahr 2022 belief sich der Halbleitermarkt auf etwa 0.6 Billionen US-Dollar, und kommerzielle Analysten gehen davon aus, dass er sich bis 1.0 auf 1.3–2030 Billionen US-Dollar verdoppeln wird. Das deutliche Wachstum in der Halbleiterfertigungsindustrie zeigt sich im Lithographieprozess. Lithographie ist ein Strukturierungsprozess, der ein flaches Design auf die Oberfläche eines Wafersubstrats überträgt und so komplexe Strukturen wie Transistoren und Verbindungen erzeugt. Dies wird erreicht, indem lichtempfindliche Polymere oder Fotolacke in einem komplexen mehrstufigen Prozess selektiv Licht bestimmter Wellenlängen ausgesetzt werden. Jüngste Fortschritte in der Lithografietechnologie haben einen Wettbewerbsvorteil bei der Produktion modernster Halbleiter geschaffen und fortschrittliche Technologien wie künstliche Intelligenz (KI), 5G-Telekommunikation und Supercomputing ermöglicht. Daher hat fortschrittliche Halbleitertechnologie Auswirkungen auf die nationale Sicherheit und den wirtschaftlichen Wohlstand.

Der derzeit fortschrittlichste Halbleiterlithographieprozess nutzt eine EUV-Lichtquelle (Extreme Ultraviolet), insbesondere bei einer Wellenlänge von 13.5 nm. EUV-Licht ermöglicht die Konstruktion kleinerer Struktureinheiten innerhalb von Halbleitern. Es wurde berichtet, dass die Kosten für EUVL-Systeme derzeit etwa 150 Millionen US-Dollar betragen und sie erstmals 2019 von ASML eingesetzt wurden, das einen Marktanteil von 100 % hält. Bisher hat ASML drei verschiedene Modelle von EUVL-Systemen ausgeliefert, nämlich Twinscan NXE: 3400B/C und NXE: 3600D. Die Gesamtlieferungen von NXE-Systemen sind von 31 Einheiten im ersten Quartal 2019 auf 181 Einheiten im letzten Quartal 2022 gestiegen.

Der Aufbau dieses Berichts ist wie folgt. Der verbleibende Teil der Einführung umfasst den technischen Hintergrund von EUVL, den internationalen und nationalen Status von EUVL und einen Überblick über die F&E-Messprogramme von NIST und CHIPS. Abschnitt 2 beinhaltet die Diskussion des technischen Standes und der Anforderungen der EUVL-Technologie in den Arbeitsgruppensitzungen. Abschnitt 3 stellt die Umfrageergebnisse und Empfehlungen für das weitere Vorgehen vor, die in den Arbeitsgruppensitzungen diskutiert wurden, und schließt den Bericht ab.

1.1 Technischer Hintergrund der EUV-Lithographie

EUVL ist ein entscheidender Schritt bei der Herstellung von Halbleiterchips der nächsten Generation. EUV-Licht wird durch ein Hochtemperaturplasma aus hochreinem Zinn erzeugt. Festes Zinn wird in einem Tröpfchengenerator geschmolzen, der in einer Vakuumkammer kontinuierlich über 3 Millionen 27-μm-Tröpfchen pro Minute produziert. Ein gepulster Kohlendioxidlaser mit einer Durchschnittsleistung von 25 kW bestrahlt jedes Zinntröpfchen mit zwei aufeinanderfolgenden Pulsen, um das Tröpfchen zu bilden und zu ionisieren. Zunächst werden mehrere Kilowatt EUV-Licht erzeugt, aber aufgrund von Absorptions- und Streuverlusten entlang des Lichtwegs wird nur ein kleiner Bruchteil für lithografische Belichtung verwendet. Die Ausgangsleistung und Strahlqualität des 13.5-nm-Lichts werden durch indirekte Szintillatorkamera-Messungen ermittelt. Ein mehrschichtiges Kondensatorsystem leitet das Licht zum lichtempfindlichen Bereich. Das Kondensatorsystem wird durch einen kontinuierlichen Strom von Wasserstoffgas vor Zinnabrieb geschützt. Nach jeder Belichtung wird die automatische Chip-Positionierung der Chipauflösung durch 0.25 Prüf- und Justierzyklen pro Sekunde auf ≤20,000 nm überprüft. Insgesamt erfordert dieser Prozess eine präzise Koordination zwischen vielen verschiedenen Engineering-Systemen. Abbildung 1 zeigt ein Foto der EUVL-Komponenten von ASML.

1.2 Aktueller und zukünftiger Stand der EUV-Lithographietechnologie

Das Wachstum in der fortschrittlichen Halbleiterfertigung ist auf neue EUV-Produktionsanlagen in den USA, Europa und Asien zurückzuführen. Wie bereits erwähnt, ist ASML mit Hauptsitz in den Niederlanden das einzige Unternehmen, das derzeit EUVL-Scannerkomponenten herstellt. ASML verkauft EUV-Scannerkomponenten an Unternehmen wie Intel, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) und Samsung in deren Halbleiterfertigungsanlagen. Das EUVL-System wird nicht nur in den Niederlanden erstellt, sondern besteht aus vielen weltweit entwickelten Modulen und wird dann zur Endmontage und Prüfung vor der Auslieferung an Kunden zur ASML-Zentrale in den Niederlanden transportiert.

Aus US-amerikanischer Sicht sind Forschung, Entwicklung und Herstellung der EUV-Quelle von ASML in San Diego, Kalifornien, angesiedelt. Die Lichtquellenkomponente der EUVL-Scannerbaugruppe ist in Abbildung 2 dargestellt. Es ist zu beachten, dass die Lichtquellenkomponente den Quellenbehälter umfasst, der sich innerhalb der EUVL-Scannerbaugruppe befindet, sowie viele Komponenten unterhalb der Fertigungshalle, einschließlich Lasermesstechnik und Strahl Transportsysteme sowie Antriebslaser und deren Zusatzgeräte. Der Quellenbetrieb mit Sitz in San Diego ist das Ergebnis der Übernahme von Cymer durch ASML im Jahr 2012, um die EUV-Quellentechnologie voranzutreiben. Angesichts der Vorteile von EUVL in der Halbleiterfertigung wurde diese Technologie kürzlich durch Exportkontrollen geschützt. Konkret erließ das Bureau of Industry and Security (BIS) im Oktober 2022 eine Regel, 87FR62186, die die Exportkontrolle von Technologie, einschließlich extremer Ultraviolett-Lithographie (b.2), umfasst.

ASML gab an, dass die zukünftige Entwicklung der EUV-Lithographietechnologie die Erhöhung der numerischen Apertur (NA) von 0.33 auf 0.55 („hohe NA“) umfasst. Eine hohe NA kann verwendet werden, um die Anzahl der erforderlichen Multimode-Schritte von derzeit 0.33 NA zu reduzieren und zu einer Auflösung feinerer Geometrien zu führen. Dies steht im Einklang mit der öffentlich veröffentlichten IEEE International Roadmap for Devices and Systems (IRDS) von 2022, die eine Fortsetzung der Transistorskalierung auf 0.5 nm bis 2037 vorschreibt. Das Ziel der neuen NA-Plattform besteht darin, die Geschwindigkeit des Wafer- und Partikelzustands zu verbessern und so zu ermöglichen die Skalierung geometrischer Chipmerkmale. Es wird erwartet, dass Systeme mit hoher NA im Jahr 2023 an Kunden ausgeliefert werden und bis 2025 die volle Produktion erreichen. Anfang 2023 gab ASML bekannt, dass sie zwei neue EUV-Leistungsrekorde erreicht haben, mit einer EUV-Emission von 600 W pro Stunde und damit der hohen NA EXE: 5200 Dosisstabilitätsspezifikation und 700-W-Open-Loop-Betrieb. Die 600-W-Demonstration stellt eine Steigerung gegenüber den 250 W dar, die vor fünf Jahren geliefert wurden, bevor die EUV-Produktion in großen Stückzahlen erreicht wurde.

Fortsetzung folgt...