ASML และ EUV: ทำไมลิโธกราฟีจึงกลายเป็นผู้คุมประตูของการผลิตชิป

ทำไม ASML จึงสำคัญต่อชิปที่ดีที่สุดของโลก

เมื่อคนพูดถึง “ชิประดับแนวหน้า” พวกเขามักหมายถึงกระบวนการผลิตที่ก้าวหน้า: รูปแบบที่พิมพ์ลงบนซิลิคอนเล็กลง ความหนาแน่นทรานซิสเตอร์สูงขึ้น และประสิทธิภาพพลังงาน/ประสิทธิภาพต่อวัตต์ที่ดีกว่า นั่นคือเหตุผลที่สมาร์ทโฟนเร็วขึ้นโดยไม่ร้อนขึ้นมาก และศูนย์ข้อมูลทำงานได้มากขึ้นต่อวัตต์

ASML สำคัญเพราะมันอยู่ในขั้นตอนที่ยากจะเลี่ยงได้

“ผู้คุมประตู” อธิบายแบบง่าย ๆ

ลิโธกราฟีคือขั้นตอนที่ลวดลายถูกฉายลงบนเวเฟอร์—ลวดลายเหล่านั้นจะกลายเป็นทรานซิสเตอร์และการเดินสาย หากคุณพิมพ์ลายไม่ได้แม่นพอ คุณก็ไม่สามารถผลิตชิปรุ่นนั้นในปริมาณมากได้

ดังนั้นคำว่า “ผู้คุมประตู” ไม่ได้หมายความว่า ASML ควบคุมอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ทั้งหมด แต่หมายความว่าในแนวหน้า ความก้าวหน้าขึ้นกับการเข้าถึงความสามารถเฉพาะที่มีผู้ให้บริการน้อยราย — วันนี้ความสามารถนั้นกระจุกตัวอยู่ในเครื่องลิโธกราฟีขั้นสูงของ ASML

ทำไม ASML ถึงกลายเป็นศูนย์กลาง

มีปัจจัยไม่กี่อย่างที่อธิบายว่าทำไม ASML มักเป็นข่าว:

• ความสามารถ EUV ที่ไม่เหมือนใคร. ลิโธกราฟีแบบรังสีอัลตร้าไวโอเล็ตสุดขีด (EUV) ช่วยพิมพ์ฟีเจอร์ที่เล็กลงได้โดยใช้วิธีที่มีเทคนิคน้อยกว่ากลยุทธ์เก่า ๆ EUV เป็นตัวขับเคลื่อนสำคัญของการผลิตระดับแนวหน้า
• ความซับซ้อนของระบบนิเวศ. เครื่อง EUV ไม่ใช่แค่ “กล่องเดียว” แต่เป็นระบบของระบบที่รวมออปติก แหล่งแสง การควบคุมการเคลื่อนไหว เมโทรโลยี โฟโตมาสก์ และเคมีของโฟโตเรซิสต์ การทำให้ทุกอย่างทำงานร่วมกันได้อย่างเชื่อถือได้ต้องใช้ความรู้ร่วมกันเป็นปี ๆ ระหว่าง ASML และเครือข่ายผู้จำหน่ายเฉพาะทาง
• เวลานำยาว. การผลิต ติดตั้ง และการคุณภาพของเครื่องมือนี้ใช้เวลาและการประสานงานมาก ทำให้เพิ่มความยากในการเพิ่มกำลังการผลิตอย่างรวดเร็วและขยายผลกระทบจากการหยุดชะงัก

ควรคาดหวังอะไรจากบทความนี้

โพสต์นี้มุ่งที่แนวคิดที่เชื่อถือได้: ลิโธกราฟีคืออะไร ทำไม EUV จึงก้าวกระโดด และทำไมห่วงโซ่อุปทานชิปจึงไวต่อเครื่องมือเหล่านี้ เราจะหลีกเลี่ยงคำพูดหวือหวาและคำอธิบายแบบเวทมนตร์ และเน้นข้อจำกัดเชิงปฏิบัติที่ทำให้ลิโธกราฟีเป็นคอขวดจริงในแนวหน้า

ลิโธกราฟี 101: ชิปได้ลวดลายเล็ก ๆ อย่างไร

จงคิดว่าลิโธกราฟีคือการ พิมพ์ลวดลายขนาดเล็กมาก ลงบนเวเฟอร์ซิลิคอนด้วยแสง ลวดลายเหล่านั้นกำหนดตำแหน่งทรานซิสเตอร์ เส้นทางเดินสาย และคอนแท็กต์ หากการ “พิมพ์” ผิดเพียงเล็กน้อย ชิปอาจสูญเสียประสิทธิภาพ ใช้พลังงานมากขึ้น หรือเสียหายได้

วงจรพื้นฐานของการทำลวดลาย (ทำซ้ำหลายครั้ง)

ลิโธกราฟีคือวงจรซ้ำที่ใช้สร้างชิปเป็นชั้น ๆ:

1. เคลือบเรซิสต์: เวเฟอร์ถูกเคลือบด้วยวัสดุไวแสงที่เรียกว่า โฟโตเรซิสต์

2. เปิดรับ: แสงส่องผ่าน โฟโตมาสก์ (แผ่นกระจกที่มีลวดลาย) เครื่องลิโธกราฟีฉายลวดลายนั้นลงบนเรซิสต์ เหมือนเครื่องฉายความละเอียดสูง

3. พัฒนา: เรซิสต์ที่ถูกเปิดรับจะถูกพัฒนาให้บางส่วนหลุดออก เหลือเป็น “แสตนซิล” ของเรซิสต์

4. แกะหรือเติมวัสดุ: โดยใช้แสตนซิลเรซิสต์ โรงงานจะกัดวัสดุออกหรือเติมวัสดุใหม่ในตำแหน่งที่ถูกต้อง

5. ทำซ้ำ: ชิประดับแนวหน้าต้องการวงจรเหล่านี้หลายสิบถึงหลายร้อยครั้งในหลายชั้น

ทำไมความแม่นยำจึงสำคัญสุด ๆ

ทรานซิสเตอร์ที่เล็กลงไม่ใช่แค่ “รูปวาดเล็กลง” เท่านั้น แต่ต้องการ การจัดชั้นระหว่างชั้นที่เข้มงวดกว่า ขอบที่สะอาดกว่า และความแปรผันที่น้อยลงทั่วทั้งเวเฟอร์ ความแม่นยำของลิโธกราฟีมีผลโดยตรงต่อขนาดสุดท้าย ความซับซ้อน และจำนวนชิปที่ดีต่อเวเฟอร์ (yield)

ลิโธกราฟีเป็นเพียงส่วนหนึ่งของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์—วัสดุ การเคลือบ การแกะ การบรรจุ และการทดสอบก็สำคัญ—แต่บ่อยครั้งมันเป็นคอขวดที่ยากที่สุดเพราะมันกำหนดลวดลายพื้นฐานที่ทุกขั้นตอนอื่นต้องตาม

ทำไมทรานซิสเตอร์ที่เล็กลงจึงผลักดันลิโธกราฟีให้ถึงขีดจำกัด

ความก้าวหน้าของชิปมักถูกอธิบายว่าเป็นการ “ทำทรานซิสเตอร์ให้เล็กลง” ข้อจำกัดที่ซ่อนอยู่คือคุณต้อง วาด รูปร่างที่เล็กลงบนซิลิคอนด้วย ในภาพรวม ลิโธกราฟีมีข้อแนะนำง่าย ๆ ว่า: ยิ่งความยาวคลื่นของแสงสั้นลง รายละเอียดที่พิมพ์ได้ก็ยิ่งละเอียดขึ้น

ความยาวคลื่นกับรายละเอียด (การบีบแบบพื้นฐาน)

ถ้าคุณพยายามพิมพ์เส้นที่เล็กมากด้วยแสงที่มีความยาวคลื่นค่อนข้าง “ยาว” ขอบจะเบลอ—เหมือนพยายามเขียนด้วยปากกามาร์คเกอร์หนาบนกระดาษตาราง เป็นเวลาหลายปีอุตสาหกรรมขยายขีดความสามารถของ ลิโธกราฟี DUV โดยปรับปรุงเลนส์ แหล่งแสง และวัสดุ วิธีเหล่านี้ช่วยได้ แต่มันไม่ไร้ขีดจำกัด

ทำไมเทคนิคเชิงแสงถึงชนกำแพง

วิศวกรใช้เทคนิคเฉลียวฉลาด—การออกแบบเลนส์ที่ดีขึ้น การควบคุมกระบวนการที่เข้มงวด และวิธีการคำนวณที่บิดแพทเทิร์นบนมาสก์ล่วงหน้าเพื่อให้พิมพ์ถูกต้องบนเวเฟอร์ วิธีเหล่านี้ช่วยได้ แต่เมื่อลวดลายเล็กลง ข้อผิดพลาดจิ๋วที่เคยยอมรับได้กลับกลายเป็นสาเหตุให้ล้มเหลว ในท้ายที่สุด คุณไม่อาจ “ปรับแต่ง” ผ่านฟิสิกส์: การเลี้ยวเบนของแสงและความแปรผันของกระบวนการเริ่มครอบงำ

Multi-patterning: เพิ่มขั้นตอนเพื่อเลียนแบบการพิมพ์ที่เล็กกว่า

เมื่อการเปิดรับครั้งเดียวไม่สามารถพิมพ์ลวดลายที่ต้องการได้ โรงงานจึงหันมาใช้ multi-patterning—แยกชั้นหนึ่งออกเป็นหลายรอบของมาสก์และการเปิดรับ

• พิมพ์ส่วนหนึ่งของฟีเจอร์ แล้วทำซ้ำด้วยมาสก์อื่นเพื่อเติมส่วนที่เหลือ
• “รายละเอียด” ดีขึ้น แต่การจัดแนวยากขึ้นมาก
• ทุกรอบเพิ่มเวลา เครื่องมือ วัสดุ และโอกาสเกิดข้อบกพร่อง

การแลกเปลี่ยนระหว่างต้นทุนและความซับซ้อน

Multi-patterning ทำให้โหนดเคลื่อนที่ต่อไปได้ แต่เปลี่ยนลิโธกราฟีให้เป็นคอขวดหลัก ขั้นตอนเพิ่มขึ้นหมายถึง ต้นทุนต่อเวเฟอร์สูงขึ้น เวลารอบนานขึ้น และการจัดการผลผลิตที่เข้มงวดขึ้น ภาระที่เพิ่มขึ้นนี้เป็นเหตุผลสำคัญที่อุตสาหกรรมมองหาความยาวคลื่นและแนวทางใหม่—ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของ EUV

DUV กับ EUV: อะไรเปลี่ยนและทำไมมันสำคัญ

Deep ultraviolet (DUV) ใช้แสง 193 นาโนเมตรในการพิมพ์ลวดลายผ่านโฟโตมาสก์ โดยใช้การเคลือบไวแสง (photoresist) เป็นเวลาหลายปีมันเป็นงานหลักของการผลิตเซมิคอนดักเตอร์—และยังคงเป็นเช่นนั้น แม้แต่แฟบขั้นสูงก็พึ่งพา DUV ในหลายชั้นที่ฟีเจอร์ใหญ่กว่าหรือไม่สำคัญมากนัก เพราะเครื่องมือเร็ว เชื่อถือได้ และคุ้มค่ากว่า

DUV ได้ “แรงหนุน” ด้วยเทคนิค immersion

การอัปเกรดสำคัญของ DUV คือ immersion lithography แทนที่จะเปิดรับผ่านอากาศ เครื่องมือเติมช่องว่างระหว่างเลนส์และเวเฟอร์ด้วยน้ำบริสุทธิ์ น้ำจะหักเหแสงได้มากกว่าอากาศ ทำให้ระบบสามารถโฟกัสฟีเจอร์ที่เล็กลงได้—เหมือนใช้สื่อขยายที่ดีกว่าเพื่อให้รายละเอียดคมขึ้น

Immersion ขยายขีดความสามารถของ DUV ไปไกลกว่าที่คาด แต่ก็ไม่เปลี่ยนความจริงพื้นฐาน: 193 nm ยังคงเป็นความยาวคลื่นที่ค่อนข้าง “ใหญ่” เมื่อคุณพยายามวาดฟีเจอร์ทรานซิสเตอร์ที่เล็กมาก

การแลกเปลี่ยนของ multi-patterning

เพื่อให้ DUV ทำงานต่อไป ผู้ผลิตชิปพึ่งพา multi-patterning อย่างหนัก—แบ่งชั้นเดียวให้เป็นสอง สาม หรือมากกว่านั้นของการเปิดรับและแกะ

นั่นใช้ได้ แต่มีต้นทุนชัดเจน:

• มาสก์มากขึ้น (มาสก์มีราคาแพงและใช้เวลาในการผลิต)
• ขั้นตอนมากขึ้น ที่ลดอัตราผ่านและเพิ่มเวลารอบ
• โอกาสการเกิดข้อบกพร่องหรือการจัดแนวผิดพลาดมากขึ้น ที่สามารถลดผลผลิต

ทำไม EUV เปลี่ยนสมการ

EUV ใช้แสงสั้นกว่าอย่างมากที่ 13.5 นาโนเมตร ซึ่งสามารถพิมพ์ฟีเจอร์ละเอียดด้วยการเปิดรับน้อยครั้งกว่า สิ่งที่ดึงดูดใจคือ: แทนที่จะต้องทำหลายขั้นตอน DUV ที่ซับซ้อน ให้ใช้การเปิดรับโดยตรงที่น้อยลงสำหรับชั้นสำคัญ

EUV ไม่ได้ถูกนำมาใช้เพราะมันง่าย—มันไม่ง่าย แต่ถูกนำมาใช้เพราะเส้นทาง DUV ด้วย multi-patterning กำลังช้า ค่าใช้จ่ายสูง และเสี่ยงเกินไปสำหรับการสเกลต่อไป

EUV อธิบายแบบง่าย: ทรงพลัง ยาก และแพง

EUV (extreme ultraviolet) ใช้แสงที่ความยาวคลื่นสั้นกว่าระบบ DUV มาก ความยาวคลื่นที่สั้นขึ้นสำคัญเพราะสามารถพิมพ์ฟีเจอร์ที่เล็กลงได้โดยตรง—คิดว่าเป็นปากกาที่คมกว่าในการวาดแพทเทิร์นที่ท้าทายที่สุด

ทำไม EUV จึงยากมาก

เครื่อง EUV ไม่ใช่แค่หลอดไฟที่สว่างขึ้น แต่มันคือห่วงโซ่ของระบบย่อยที่ประสานกันอย่างประณีต:

• แหล่งแสง ถูกสร้างขึ้นในวิธีที่ไม่ธรรมดา (กระบวนการพลังงานสูงแทนที่จะเป็นหลอดธรรมดา) และต้องทำงานได้อย่างเสถียรต่อเนื่อง
• เส้นทางแสงต้องเป็นสุญญากาศ เพราะแสง EUV ถูกดูดกลืนโดยอากาศ
• เลนส์แบบดั้งเดิมใช้ไม่ได้ ดังนั้น EUV ต้องพึ่งพากระจกที่แม่นยำสูงมาก กระจกเหล่านั้นต้องผลิตและจัดตำแหน่งด้วยความทนผิดเพี้ยนต่ำสุด
• การควบคุมการปนเปื้อนสำคัญมาก เศษหรือฟิล์มเพียงเล็กน้อยบนกระจกก็ทำให้ผลผลิตลดและบิดเบือนลวดลายได้

ทั้งหมดนี้ทำให้เครื่อง EUV แพงในการสร้าง แพงในการบำรุงรักษา และยากต่อการขยายกำลังการผลิต

ผลตอบแทน: ขั้นตอนการทำลวดลายน้อยลง (ในบางกรณี)

ก่อน EUV โรงงานมักต้องการหลายการเปิดรับและ multi-patterning ที่ซับซ้อนกับ DUV เพื่อสร้างฟีเจอร์ละเอียด ในชั้นสำคัญบางชั้น EUV สามารถลดจำนวนขั้นตอนเหล่านี้—ประหยัดเวลา ลดความเสี่ยงจากความผิดพลาดในการจัดแนว และปรับปรุงผลผลิตโดยรวม

ความเข้าใจผิดที่พบบ่อย

EUV ไม่ได้ทำให้แฟบทั้งหมดเรียบง่ายขึ้นโดยลำพัง คุณยังต้องการ โฟโตมาสก์ ขั้นสูง เคมี โฟโตเรซิสต์ ปรับแต่ง กระบวนการแกะ/เคลือบ/ตรวจสอบที่แม่นยำ EUV ช่วยในบางชั้น แต่การผลิตชิปยังคงต้องการการประสานงานแบบครบวงจร