ในปี 2022 ตลาดเซมิคอนดักเตอร์มีมูลค่าประมาณ 0.6 ล้านล้านเหรียญสหรัฐ และนักวิเคราะห์เชิงพาณิชย์คาดการณ์ว่าจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าเป็น 1.0-1.3 ล้านล้านเหรียญสหรัฐภายในปี 2030 การเติบโตที่สำคัญในอุตสาหกรรมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์สามารถเห็นได้ในกระบวนการพิมพ์หิน การพิมพ์หินเป็นกระบวนการสร้างแพทเทิร์นที่ถ่ายโอนการออกแบบที่เรียบไปบนพื้นผิวของซับสเตรตเวเฟอร์ ทำให้เกิดโครงสร้างที่ซับซ้อน เช่น ทรานซิสเตอร์และการเชื่อมต่อระหว่างกัน ซึ่งสามารถทำได้โดยการเลือกให้โพลีเมอร์ที่ไวต่อแสงหรือสารต้านทานแสงสัมผัสกับแสงที่มีความยาวคลื่นจำเพาะผ่านกระบวนการหลายขั้นตอนที่ซับซ้อน ความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยีการพิมพ์หินได้สร้างข้อได้เปรียบทางการแข่งขันในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ที่ล้ำสมัย ทำให้เกิดเทคโนโลยีขั้นสูง เช่น ปัญญาประดิษฐ์ (AI) โทรคมนาคม 5G และซูเปอร์คอมพิวเตอร์ ดังนั้นเทคโนโลยีเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงจึงมีผลกระทบต่อความมั่นคงของชาติและความเจริญรุ่งเรืองทางเศรษฐกิจ

ปัจจุบัน กระบวนการพิมพ์หินเซมิคอนดักเตอร์ที่ทันสมัยที่สุดใช้แหล่งกำเนิดแสง EUV (รังสีอัลตราไวโอเลตรุนแรง) โดยเฉพาะที่ความยาวคลื่น 13.5 นาโนเมตร ไฟ EUV ช่วยให้สามารถสร้างคุณลักษณะยูนิตขนาดเล็กภายในเซมิคอนดักเตอร์ได้ มีรายงานว่าต้นทุนของระบบ EUVL ปัจจุบันอยู่ที่ประมาณ 150 ล้านเหรียญสหรัฐ และ ASML ใช้งานครั้งแรกในปี 2019 ซึ่งรักษาส่วนแบ่งการตลาด 100% จนถึงขณะนี้ ASML ได้จัดส่งระบบ EUVL ที่แตกต่างกันสามรุ่น ได้แก่ Twinscan NXE: 3400B/C และ NXE: 3600D การจัดส่งระบบ NXE ทั้งหมดเพิ่มขึ้นจาก 31 หน่วยในไตรมาสแรกของปี 2019 เป็น 181 หน่วยในไตรมาสสุดท้ายของปี 2022

องค์กรของรายงานนี้มีดังต่อไปนี้ ส่วนที่เหลือของการแนะนำประกอบด้วยภูมิหลังทางเทคนิคของ EUVL สถานะระหว่างประเทศและในประเทศของ EUVL และภาพรวมของโปรแกรมการวัดผล R&D โดย NIST และ CHIPS ส่วนที่ 2 ประกอบด้วยการอภิปรายเกี่ยวกับสถานะทางเทคนิคและข้อกำหนดของเทคโนโลยี EUVL ในการประชุมคณะทำงาน ส่วนที่ 3 สรุปผลการสำรวจและข้อเสนอแนะแนวทางการหารือในการประชุมคณะทำงานโดยสรุปรายงาน

1.1 ความเป็นมาทางเทคนิคของ EUV Lithography

EUVL เป็นก้าวสำคัญในการผลิตชิปเซมิคอนดักเตอร์รุ่นใหม่ แสง EUV เกิดจากพลาสมาอุณหภูมิสูงที่สร้างจากดีบุกบริสุทธิ์สูง ดีบุกแข็งถูกหลอมในเครื่องกำเนิดหยดโลหะ ซึ่งผลิตหยดโลหะขนาด 3 ไมโครเมตร มากกว่า 27 ล้านหยดต่อนาทีอย่างต่อเนื่องภายในห้องสุญญากาศ เลเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์กำลังเฉลี่ย 25 ​​กิโลวัตต์แบบพัลส์จะฉายรังสีสองพัลส์ต่อเนื่องไปยังหยดโลหะดีบุกแต่ละหยดเพื่อสร้างและแตกตัวเป็นไอออนตามลำดับ ในขั้นต้น แสง EUV จะถูกผลิตเป็นกิโลวัตต์ แต่มีเพียงส่วนเล็กน้อยเท่านั้นที่ได้รับผลกระทบจากแสงลิโธกราฟี เนื่องจากการสูญเสียการดูดกลืนและการกระเจิงตามเส้นทางแสง กำลังส่งออกและคุณภาพของลำแสงขนาด 13.5 นาโนเมตร สามารถอนุมานได้จากการวัดด้วยกล้องซินทิลเลเตอร์ทางอ้อม ระบบคอนเดนเซอร์แบบหลายชั้นจะนำแสงไปยังบริเวณที่ไวต่อแสง ระบบคอนเดนเซอร์ได้รับการปกป้องจากเศษโลหะดีบุกด้วยก๊าซไฮโดรเจนที่ไหลอย่างต่อเนื่อง หลังการฉายแสงแต่ละครั้ง การวางตำแหน่งระดับชิปอัตโนมัติของความละเอียดของชิปจะได้รับการตรวจสอบว่าอยู่ที่ ≤0.25 นาโนเมตร ผ่านการตรวจสอบและปรับแต่ง 20,000 รอบต่อวินาที โดยรวมแล้ว กระบวนการนี้ต้องอาศัยการประสานงานที่แม่นยำระหว่างระบบวิศวกรรมต่างๆ มากมาย รูปที่ 1 แสดงภาพถ่ายส่วนประกอบ EUVL ของ ASML

1.2 สถานะปัจจุบันและอนาคตของเทคโนโลยีการพิมพ์หิน EUV

การเติบโตของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ขั้นสูงมาจากการสร้างโรงงานผลิต EUV แห่งใหม่ในสหรัฐอเมริกา ยุโรป และเอเชีย ดังที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ บริษัทเดียวที่ผลิตชิ้นส่วนสแกนเนอร์ EUVL ในปัจจุบันคือ ASML ซึ่งมีสำนักงานใหญ่ในประเทศเนเธอร์แลนด์ ASML จำหน่ายชิ้นส่วนสแกนเนอร์ EUV ให้กับบริษัทต่างๆ เช่น Intel, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) และ Samsung ในโรงงานผลิตเซมิคอนดักเตอร์ของพวกเขา ระบบ EUVL ไม่ได้ถูกสร้างขึ้นในประเทศเนเธอร์แลนด์เพียงแห่งเดียว แต่ประกอบด้วยโมดูลจำนวนมากที่พัฒนาขึ้นทั่วโลก จากนั้นจึงขนส่งไปยังสำนักงานใหญ่ของ ASML ในประเทศเนเธอร์แลนด์เพื่อประกอบและทดสอบขั้นสุดท้ายก่อนส่งมอบให้กับลูกค้า

จากมุมมองของสหรัฐอเมริกา การวิจัย การพัฒนา และการผลิตแหล่งที่มา EUV ของ ASML ตั้งอยู่ในซานดิเอโก แคลิฟอร์เนีย ส่วนประกอบแหล่งกำเนิดแสงของชุดเครื่องสแกน EUVL แสดงในรูปที่ 2 ควรสังเกตว่าส่วนประกอบของแหล่งกำเนิดแสงนั้นรวมถึงคอนเทนเนอร์แหล่งกำเนิดที่อยู่ในชุดเครื่องสแกน EUVL เช่นเดียวกับส่วนประกอบมากมายที่อยู่ใต้พื้นการผลิต รวมถึงมาตรวิทยาเลเซอร์ ลำแสง ระบบการขนส่งและไดรฟ์เลเซอร์และอุปกรณ์เสริม การดำเนินการแหล่งที่มาในซานดิเอโกเป็นผลมาจากการเข้าซื้อกิจการ Cymer ของ ASML ในปี 2012 เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีแหล่งที่มาของ EUV นอกจากนี้ เมื่อพิจารณาถึงข้อดีของ EUVL ในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ การควบคุมการส่งออกจึงได้ปกป้องเทคโนโลยีนี้เมื่อเร็วๆ นี้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเดือนตุลาคม 2022 สำนักงานอุตสาหกรรมและความปลอดภัย (BIS) ได้ออกกฎ 87FR62186 ซึ่งรวมถึงการควบคุมการส่งออกเทคโนโลยี รวมถึงการพิมพ์หินอัลตราไวโอเลตระดับสูงสุด (b.2)

ASML ระบุว่าการพัฒนาในอนาคตของเทคโนโลยีการพิมพ์หิน EUV รวมถึงการเพิ่มรูรับแสงตัวเลข (NA) จาก 0.33 เป็น 0.55 ("NA สูง") NA ที่สูงสามารถใช้เพื่อลดจำนวนขั้นตอนมัลติโหมดที่ต้องการโดยกระแส 0.33 NA และส่งผลให้ได้ความละเอียดของรูปทรงที่ละเอียดยิ่งขึ้น ซึ่งสอดคล้องกับแผนงาน IEEE International Roadmap สำหรับอุปกรณ์และระบบ (IRDS) ปี 2022 ที่เผยแพร่ต่อสาธารณะ ซึ่งกำหนดให้ทรานซิสเตอร์ปรับขนาดเป็น 0.5 นาโนเมตรต่อไปภายในปี 2037 เป้าหมายของแพลตฟอร์ม NA ใหม่คือการปรับปรุงความเร็วของเวเฟอร์และสถานะของอนุภาค ทำให้สามารถ การปรับขนาดคุณสมบัติชิปทางเรขาคณิต คาดว่าจะจัดส่งระบบ NA สูงให้กับลูกค้าในปี 2023 และบรรลุการผลิตเต็มรูปแบบภายในปี 2025 ในช่วงต้นปี 2023 ASML ได้ประกาศว่าพวกเขาประสบความสำเร็จในการบันทึกพลังงาน EUV ใหม่สองรายการ โดยทำงานที่การปล่อย EUV 600W ต่อชั่วโมง ตรงตาม NA EXE ที่สูง: 5200 ข้อกำหนดความเสถียรของปริมาณรังสีและการทำงานแบบลูปเปิด 700W การสาธิต 600W แสดงถึงการเพิ่มขึ้นจาก 250W ที่ส่งมอบเมื่อห้าปีก่อนก่อนที่จะบรรลุการผลิต EUV ในปริมาณมาก

ยังมีต่อ...