Nel 2022, il mercato dei semiconduttori ammontava a circa 0.6 trilioni di dollari e gli analisti commerciali prevedono che raddoppierà fino a raggiungere 1.0-1.3 trilioni di dollari entro il 2030. La crescita significativa nel settore manifatturiero dei semiconduttori può essere vista nel processo di litografia. La litografia è un processo di modellazione che trasferisce un disegno piatto sulla superficie di un substrato di wafer, creando strutture complesse come transistor e interconnessioni. Ciò si ottiene esponendo selettivamente polimeri fotosensibili o fotoresist alla luce di lunghezze d'onda specifiche attraverso un complesso processo in più fasi. I recenti progressi nella tecnologia litografica hanno creato un vantaggio competitivo nella produzione di semiconduttori all’avanguardia, consentendo tecnologie avanzate come l’intelligenza artificiale (AI), le telecomunicazioni 5G e il supercalcolo. Pertanto, la tecnologia avanzata dei semiconduttori ha un impatto sulla sicurezza nazionale e sulla prosperità economica.

Attualmente, il processo di litografia a semiconduttore più avanzato utilizza una sorgente luminosa EUV (Extreme Ultraviolet), in particolare ad una lunghezza d'onda di 13.5 nm. La luce EUV consente la costruzione di caratteristiche unitarie più piccole all'interno dei semiconduttori. È stato riferito che il costo dei sistemi EUVL è attualmente di circa 150 milioni di dollari ed è stato implementato per la prima volta da ASML nel 2019, che mantiene una quota di mercato del 100%. Finora, ASML ha spedito tre diversi modelli di sistemi EUVL, vale a dire Twinscan NXE: 3400B/C e NXE: 3600D. Le spedizioni totali di sistemi NXE sono aumentate da 31 unità nel primo trimestre del 2019 a 181 unità nell'ultimo trimestre del 2022.

L'organizzazione del presente rapporto è la seguente. La restante parte dell'introduzione comprende il background tecnico dell'EUVL, lo status nazionale e internazionale dell'EUVL e una panoramica dei programmi di misurazione di ricerca e sviluppo del NIST e del CHIPS. La sezione 2 contiene la discussione dello stato tecnico e dei requisiti della tecnologia EUVL nelle riunioni del gruppo di lavoro. La sezione 3 delinea i risultati dell’indagine e le raccomandazioni per la via da seguire discusse nelle riunioni del gruppo di lavoro, concludendo il rapporto.

1.1 Base tecnica della litografia EUV

EUVL è un passaggio fondamentale nella produzione di chip semiconduttori di nuova generazione. La luce EUV è generata da un plasma ad alta temperatura creato da stagno ad alta purezza. Lo stagno solido viene fuso in uno strumento generatore di goccioline che produce continuamente oltre 3 milioni di goccioline da 27 μm al minuto all'interno di una camera a vuoto. Un laser ad anidride carbonica pulsato da 25 kW di potenza media irradia ciascuna gocciolina di stagno con due impulsi consecutivi per formarla e ionizzarla rispettivamente. Inizialmente, vengono prodotti kilowatt di luce EUV, ma solo una piccola frazione diventa esposizione litografica a causa delle perdite per assorbimento e diffusione lungo il percorso della luce. La potenza di uscita e la qualità del fascio di luce a 13.5 nm vengono dedotte tramite misurazioni indirette con scintillatore-camera. Un sistema di condensatori multistrato guida la luce verso l'area fotosensibile. Il sistema di condensatori è protetto dai detriti di stagno da un flusso continuo di idrogeno gassoso. Dopo ogni esposizione, il posizionamento automatico a livello di chip della risoluzione del chip viene verificato per essere ≤0.25 nm attraverso 20,000 cicli di ispezione e regolazione al secondo. Nel complesso, questo processo richiede un coordinamento preciso tra molti sistemi ingegneristici diversi. La Figura 1 mostra una fotografia dei componenti EUVL di ASML.

1.2 Stato attuale e futuro della tecnologia litografica EUV

La crescita nel settore della produzione di semiconduttori avanzati deriva dai nuovi impianti di produzione EUV negli Stati Uniti, in Europa e in Asia. Come già accennato, l'unica azienda che attualmente produce componenti per scanner EUVL è ASML, con sede nei Paesi Bassi. ASML vende componenti per scanner EUV ad aziende come Intel, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) e Samsung, che li utilizzano nei loro stabilimenti di produzione di semiconduttori. Il sistema EUVL non viene creato interamente nei Paesi Bassi, ma è composto da numerosi moduli sviluppati a livello globale, che vengono poi trasportati presso la sede centrale di ASML nei Paesi Bassi per l'assemblaggio finale e il collaudo prima della consegna ai clienti.

Dal punto di vista statunitense, la ricerca, lo sviluppo e la produzione della sorgente EUV di ASML hanno sede a San Diego, in California. Il componente della sorgente luminosa del gruppo scanner EUVL è mostrato nella Figura 2. Va notato che il componente della sorgente luminosa include il contenitore della sorgente situato all'interno del gruppo scanner EUVL, nonché molti componenti sotto il piano di produzione, tra cui metrologia laser, fascio sistemi di trasporto e azionamento dei laser e delle loro apparecchiature ausiliarie. L'operazione di sorgente con sede a San Diego è il risultato dell'acquisizione di Cymer da parte di ASML nel 2012 per far avanzare la tecnologia della sorgente EUV. Inoltre, considerati i vantaggi dell’EUVL nella produzione di semiconduttori, i controlli sulle esportazioni hanno recentemente protetto questa tecnologia. Nello specifico, nell'ottobre 2022, il Bureau of Industry and Security (BIS) ha emesso una norma, 87FR62186, che include il controllo delle esportazioni di tecnologia, inclusa la litografia ultravioletta estrema (b.2).

ASML ha affermato che il futuro sviluppo della tecnologia litografica EUV include l'aumento dell'apertura numerica (NA) da 0.33 a 0.55 ("NA alta"). È possibile utilizzare un NA elevato per ridurre il numero di passaggi multimodali richiesti dall'attuale NA 0.33 e ottenere la risoluzione di geometrie più fini. Ciò è coerente con la Roadmap internazionale per dispositivi e sistemi (IRDS) IEEE 2022 pubblicata pubblicamente, che richiede che lo scaling dei transistor continui a 0.5 nm entro il 2037. L'obiettivo della nuova piattaforma NA è migliorare la velocità dello stato dei wafer e delle particelle, consentendo il ridimensionamento delle caratteristiche geometriche del chip. Si prevede che i sistemi ad alto NA verranno spediti ai clienti nel 2023 e raggiungeranno la piena produzione entro il 2025. All'inizio del 2023, ASML ha annunciato di aver raggiunto due nuovi record di potenza EUV, funzionando a 600 W EUV di emissioni all'ora, soddisfacendo l'alto NA EXE: 5200 specifiche di stabilità della dose e funzionamento a circuito aperto da 700 W. La dimostrazione da 600 W rappresenta un aumento rispetto ai 250 W forniti cinque anni fa prima di raggiungere la produzione di EUV in grandi volumi.

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