Vào năm 2022, thị trường chất bán dẫn xấp xỉ 0.6 nghìn tỷ USD và các nhà phân tích thương mại dự đoán rằng nó sẽ tăng gấp đôi lên 1.0-1.3 nghìn tỷ USD vào năm 2030. Có thể thấy sự tăng trưởng đáng kể trong ngành sản xuất chất bán dẫn trong quy trình in thạch bản. In thạch bản là một quá trình tạo mẫu chuyển một thiết kế phẳng lên bề mặt của chất nền wafer, tạo ra các cấu trúc phức tạp như bóng bán dẫn và các kết nối. Điều này được thực hiện bằng cách cho các polyme cảm quang hoặc chất quang dẫn tiếp xúc có chọn lọc với ánh sáng có bước sóng cụ thể thông qua một quy trình gồm nhiều bước phức tạp. Những tiến bộ gần đây trong công nghệ in thạch bản đã tạo ra lợi thế cạnh tranh trong sản xuất chất bán dẫn tiên tiến, cho phép áp dụng các công nghệ tiên tiến như trí tuệ nhân tạo (AI), viễn thông 5G và siêu máy tính. Vì vậy, công nghệ bán dẫn tiên tiến có tác động đến an ninh quốc gia và sự thịnh vượng kinh tế.

Hiện nay, quy trình in thạch bản bán dẫn tiên tiến nhất sử dụng nguồn sáng EUV (Extreme Ultraviolet), đặc biệt ở bước sóng 13.5nm. Ánh sáng EUV cho phép xây dựng các tính năng đơn vị nhỏ hơn trong chất bán dẫn. Có thông tin cho rằng chi phí của các hệ thống EUVL hiện vào khoảng 150 triệu USD và được ASML triển khai lần đầu tiên vào năm 2019, hệ thống này duy trì 100% thị phần. Cho đến nay, ASML đã xuất xưởng ba mẫu hệ thống EUVL khác nhau, đó là Twinscan NXE: 3400B/C và NXE: 3600D. Tổng số lô hàng hệ thống NXE đã tăng từ 31 chiếc trong quý 2019 năm 181 lên 2022 chiếc trong quý cuối năm XNUMX.

Việc tổ chức báo cáo này như sau. Phần còn lại của phần giới thiệu bao gồm nền tảng kỹ thuật của EUVL, tình trạng trong nước và quốc tế của EUVL và tổng quan về các chương trình đo lường R&D của NIST và CHIPS. Phần 2 thảo luận về tình trạng kỹ thuật và các yêu cầu của công nghệ EUVL trong các cuộc họp nhóm công tác. Phần 3 phác thảo các kết quả khảo sát và đề xuất hướng đi tiếp theo được thảo luận trong các cuộc họp nhóm công tác và kết thúc báo cáo.

1.1 Bối cảnh kỹ thuật của kỹ thuật in thạch bản EUV

EUVL là một bước quan trọng trong sản xuất chip bán dẫn thế hệ tiếp theo. Ánh sáng EUV được tạo ra bởi plasma nhiệt độ cao từ thiếc có độ tinh khiết cao. Thiếc rắn được nấu chảy trong một thiết bị tạo giọt liên tục tạo ra hơn 3 triệu giọt thiếc 27μm mỗi phút trong buồng chân không. Một tia laser carbon dioxide xung công suất trung bình 25kW chiếu xạ mỗi giọt thiếc bằng hai xung liên tiếp để lần lượt hình thành và ion hóa giọt. Ban đầu, hàng kilowatt ánh sáng EUV được tạo ra, nhưng chỉ một phần nhỏ trở thành phơi sáng quang khắc do tổn thất hấp thụ và tán xạ dọc theo đường đi của ánh sáng. Công suất đầu ra và chất lượng chùm tia của ánh sáng 13.5nm được suy ra thông qua các phép đo gián tiếp bằng camera nhấp nháy. Một hệ thống tụ điện nhiều lớp dẫn ánh sáng đến vùng nhạy sáng. Hệ thống tụ điện được bảo vệ khỏi các mảnh vụn thiếc bằng một luồng khí hydro liên tục. Sau mỗi lần phơi sáng, việc định vị độ phân giải của chip tự động ở cấp độ chip được xác minh là ≤0.25nm thông qua 20,000 chu kỳ kiểm tra và điều chỉnh mỗi giây. Nhìn chung, quy trình này đòi hỏi sự phối hợp chính xác giữa nhiều hệ thống kỹ thuật khác nhau. Hình 1 cho thấy ảnh chụp các thành phần EUVL của ASML.

1.2 Hiện trạng và tương lai của công nghệ in thạch bản EUV

Sự tăng trưởng trong sản xuất chất bán dẫn tiên tiến đến từ các cơ sở sản xuất EUV mới ở Hoa Kỳ, Châu Âu và Châu Á. Như đã đề cập trước đó, công ty duy nhất hiện đang sản xuất linh kiện máy quét EUVL là ASML, có trụ sở chính tại Hà Lan. ASML bán linh kiện máy quét EUV cho các công ty như Intel, Công ty Sản xuất Chất bán dẫn Đài Loan (TSMC) và Samsung tại các cơ sở sản xuất chất bán dẫn của họ. Hệ thống EUVL không chỉ được tạo ra ở Hà Lan mà bao gồm nhiều mô-đun được phát triển trên toàn cầu, sau đó được vận chuyển đến trụ sở chính của ASML ở Hà Lan để lắp ráp và thử nghiệm lần cuối trước khi giao cho khách hàng.

Theo quan điểm của Hoa Kỳ, hoạt động nghiên cứu, phát triển và sản xuất nguồn EUV của ASML có trụ sở tại San Diego, California. Thành phần nguồn sáng của cụm máy quét EUVL được hiển thị trong Hình 2. Cần lưu ý rằng thành phần nguồn sáng bao gồm hộp chứa nguồn nằm trong cụm máy quét EUVL, cũng như nhiều thành phần bên dưới sàn sản xuất, bao gồm cả đo lường laser, chùm tia hệ thống vận chuyển, điều khiển tia laser và các thiết bị phụ trợ của chúng. Hoạt động nguồn có trụ sở tại San Diego là kết quả của việc ASML mua lại Cymer vào năm 2012 để cải tiến công nghệ nguồn EUV. Hơn nữa, do những lợi thế của EUVL trong sản xuất chất bán dẫn, các biện pháp kiểm soát xuất khẩu gần đây đã bảo vệ công nghệ này. Cụ thể, vào tháng 2022 năm 87, Cục Công nghiệp và An ninh (BIS) đã ban hành quy tắc 62186FR2, trong đó bao gồm việc kiểm soát xuất khẩu công nghệ, bao gồm cả kỹ thuật in thạch bản cực tím (b.XNUMX).

ASML tuyên bố rằng sự phát triển trong tương lai của công nghệ in thạch bản EUV bao gồm việc tăng khẩu độ số (NA) từ 0.33 lên 0.55 ("NA cao"). NA cao có thể được sử dụng để giảm số bước đa chế độ được yêu cầu bởi 0.33 NA hiện tại và mang lại độ phân giải hình học tốt hơn. Điều này phù hợp với Lộ trình Quốc tế về Thiết bị và Hệ thống (IRDS) của IEEE năm 2022 được phát hành công khai, trong đó yêu cầu quy mô bóng bán dẫn phải tiếp tục ở mức 0.5nm vào năm 2037. Mục tiêu của nền tảng NA mới là cải thiện tốc độ của trạng thái wafer và hạt, cho phép việc mở rộng quy mô của các tính năng chip hình học. Hệ thống NA cao dự kiến ​​sẽ được chuyển đến khách hàng vào năm 2023 và đạt sản lượng đầy đủ vào năm 2025. Đầu năm 2023, ASML thông báo rằng họ đã đạt được hai kỷ lục công suất EUV mới, chạy ở mức phát thải EUV 600W mỗi giờ, đáp ứng NA EXE cao: 5200 đặc điểm kỹ thuật ổn định liều và hoạt động vòng lặp mở 700W. Cuộc trình diễn 600W thể hiện sự gia tăng so với mức 250W được cung cấp cách đây XNUMX năm trước khi đạt được sản xuất EUV khối lượng lớn.

Còn tiếp...