In 2022 bedroeg de markt voor halfgeleiders ongeveer 0.6 biljoen USD, en commerciële analisten voorspellen dat deze in 1.0 zal verdubbelen tot 1.3-2030 biljoen USD. De aanzienlijke groei in de halfgeleiderindustrie is te zien in het lithografieproces. Lithografie is een patroonvormingsproces dat een plat ontwerp overbrengt op het oppervlak van een wafersubstraat, waardoor complexe structuren zoals transistors en onderlinge verbindingen ontstaan. Dit wordt bereikt door selectief lichtgevoelige polymeren of fotoresists bloot te stellen aan licht van specifieke golflengten via een complex meerstapsproces. Recente ontwikkelingen op het gebied van lithografietechnologie hebben een concurrentievoordeel gecreëerd bij de productie van geavanceerde halfgeleiders, waardoor geavanceerde technologieën zoals kunstmatige intelligentie (AI), 5G-telecommunicatie en supercomputers mogelijk zijn. Daarom heeft geavanceerde halfgeleidertechnologie impact op de nationale veiligheid en economische welvaart.

Momenteel maakt het meest geavanceerde halfgeleiderlithografieproces gebruik van een EUV-lichtbron (Extreem Ultraviolet), vooral bij een golflengte van 13.5 nm. EUV-licht maakt de constructie van kleinere eenheidskenmerken binnen halfgeleiders mogelijk. Naar verluidt bedragen de kosten van EUVL-systemen momenteel ongeveer 150 miljoen USD, en het werd voor het eerst ingezet door ASML in 2019, dat een marktaandeel van 100% behoudt. Tot nu toe heeft ASML drie verschillende modellen EUVL-systemen geleverd, namelijk Twinscan NXE: 3400B/C en NXE: 3600D. De totale verzendingen van NXE-systemen zijn gestegen van 31 eenheden in het eerste kwartaal van 2019 naar 181 eenheden in het laatste kwartaal van 2022.

De opzet van dit rapport is als volgt. Het resterende deel van de inleiding omvat de technische achtergrond van EUVL, de internationale en binnenlandse status van EUVL, en een overzicht van de R&D-meetprogramma's van NIST en CHIPS. Hoofdstuk 2 bevat de bespreking van de technische status en vereisten van EUVL-technologie in de werkgroepvergaderingen. Hoofdstuk 3 schetst de onderzoeksresultaten en aanbevelingen voor de toekomst die zijn besproken tijdens de werkgroepvergaderingen, ter afsluiting van het rapport.

1.1 Technische achtergrond van EUV-lithografie

EUVL is een cruciale stap in de productie van halfgeleiderchips van de volgende generatie. EUV-licht wordt gegenereerd door een plasma met hoge temperatuur, gemaakt van tin met een hoge zuiverheidsgraad. Vast tin wordt gesmolten in een druppelgenerator die continu meer dan 3 miljoen druppels van 27 μm per minuut produceert in een vacuümkamer. Een gepulste koolstofdioxidelaser met een gemiddeld vermogen van 25 kW bestraalt elke tindruppel met twee opeenvolgende pulsen om de druppel respectievelijk te vormen en te ioniseren. Aanvankelijk wordt er kilowatt aan EUV-licht geproduceerd, maar slechts een klein deel wordt lithografisch belicht vanwege absorptie- en verstrooiingsverliezen langs het lichtpad. Het uitgangsvermogen en de bundelkwaliteit van 13.5 nm licht worden afgeleid via indirecte scintillatorcamerametingen. Een meerlaags condensorsysteem geleidt het licht naar het lichtgevoelige gebied. Het condensorsysteem wordt beschermd tegen tinresten door een continue stroom waterstofgas. Na elke belichting wordt de automatische positionering van de resolutie van de chip op chipniveau geverifieerd op ≤ 0.25 nm door middel van 20,000 inspectie- en aanpassingscycli per seconde. Dit proces vereist een nauwkeurige coördinatie tussen vele verschillende technische systemen. Figuur 1 toont een foto van de EUVL-componenten van ASML.

1.2 Huidige en toekomstige staat van EUV-lithografietechnologie

De groei in de productie van geavanceerde halfgeleiders is afkomstig van nieuwe EUV-productiefaciliteiten in de Verenigde Staten, Europa en Azië. Zoals eerder vermeld is ASML het enige bedrijf dat momenteel EUVL-scannercomponenten produceert, met het hoofdkantoor in Nederland. ASML verkoopt EUV-scannercomponenten aan bedrijven als Intel, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) en Samsung in hun halfgeleiderproductiefaciliteiten. Het EUVL-systeem is niet alleen in Nederland gemaakt, maar is eerder samengesteld uit vele modules die wereldwijd zijn ontwikkeld en vervolgens naar het hoofdkantoor van ASML in Nederland zijn getransporteerd voor eindmontage en testen voordat ze aan klanten worden afgeleverd.

Vanuit Amerikaans perspectief zijn onderzoek, ontwikkeling en productie van ASML's EUV-bron gevestigd in San Diego, Californië. De lichtbroncomponent van de EUVL-scannerconstructie wordt weergegeven in figuur 2. Opgemerkt moet worden dat de lichtbroncomponent de broncontainer omvat die zich in de EUVL-scannerconstructie bevindt, evenals vele componenten onder de productievloer, inclusief lasermetrologie, straal transportsystemen, en aandrijflasers en hun hulpapparatuur. De in San Diego gevestigde bronoperatie is het resultaat van ASML's overname van Cymer in 2012 om de EUV-brontechnologie te bevorderen. Bovendien hebben exportcontroles, gezien de voordelen van EUVL bij de productie van halfgeleiders, deze technologie onlangs beschermd. Concreet heeft het Bureau of Industry and Security (BIS) in oktober 2022 een regel uitgevaardigd, 87FR62186, die de exportcontrole van technologie omvat, inclusief extreme ultraviolette lithografie (b.2).

ASML verklaarde dat de toekomstige ontwikkeling van EUV-lithografietechnologie het vergroten van de numerieke apertuur (NA) omvat van 0.33 naar 0.55 ("hoge NA"). Hoge NA kan worden gebruikt om het aantal multimode-stappen dat vereist is door de huidige 0.33 NA te verminderen en te resulteren in de resolutie van fijnere geometrieën. Dit komt overeen met de publiekelijk uitgebrachte IEEE International Roadmap for Devices and Systems (IRDS) uit 2022, die vereist dat de schaling van transistoren in 0.5 doorgaat naar 2037 nm. Het doel van het nieuwe NA-platform is om de snelheid van de toestand van wafers en deeltjes te verbeteren, waardoor het schalen van geometrische chipkenmerken. Hoge NA-systemen zullen naar verwachting in 2023 naar klanten worden verzonden en in 2025 de volledige productie bereiken. Begin 2023 kondigde ASML aan dat ze twee nieuwe EUV-vermogensrecords hebben behaald, met een EUV-emissie van 600 W per uur, waarmee ze voldoen aan de hoge NA EXE: 5200 dosisstabiliteitsspecificatie en 700W open-lus werking. De 600W-demonstratie vertegenwoordigt een stijging ten opzichte van de 250W die vijf jaar geleden werd geleverd voordat grootschalige EUV-productie werd bereikt.

Wordt vervolgd...