หลักการและอุปกรณ์ของเครื่องพิมพ์หิน

บนหลักการของกระบวนการพิมพ์หิน เราสามารถจินตนาการถึงการพัฒนาของภาพถ่ายฟิล์ม แผ่นมาส์กเทียบเท่ากับฟิล์ม และเครื่องพิมพ์หินเป็นตารางการพัฒนา โดยจะคัดลอกวงจรชิปบนแผ่นมาส์กไปยังฟิล์มไวแสงทีละชิ้น และ จากนั้นวงจรจะถูก "ทาสี" บนแผ่นเวเฟอร์ผ่านเทคโนโลยีการแกะสลัก

แน่นอนว่า กระบวนการจริงนั้นไม่ง่ายนักอย่างแน่นอน เครื่องพิมพ์หินแบบสแกนขั้นตอนแบบดื่มด่ำทั่วไปของ ASML เป็นตัวอย่างเพื่อดูว่าเครื่องพิมพ์หินทำงานอย่างไร ประการแรก แสงเลเซอร์ หลังจากการแก้ไข ตัวควบคุมพลังงาน อุปกรณ์สร้างลำแสง ฯลฯ เข้าไปในโต๊ะโฟโตมาสก์ ใส่โฟโตมาสก์ของบริษัทออกแบบ จากนั้นฉายไปที่โต๊ะรับแสงผ่านเลนส์ใกล้วัตถุ สิ่งที่คุณมีตรงนี้ก็คือเวเฟอร์ขนาด 8 นิ้วหรือ 12 นิ้ว ที่เคลือบด้วยสารต้านทานแสง ซึ่งมีความไวแสง และแสงอัลตราไวโอเลตจะกัดวงจรบนแผ่นเวเฟอร์

เลเซอร์มีหน้าที่สร้างแหล่งกำเนิดแสง และแหล่งกำเนิดแสงมีอิทธิพลชี้ขาดต่อกระบวนการกระบวนการ ด้วยการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องของโหนดอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ความยาวคลื่นของเลเซอร์พิมพ์หินก็หดตัวอย่างต่อเนื่องเช่นกัน จาก 436nm, 365nm ใกล้อัลตราไวโอเลต (NUV) เลเซอร์เป็นเลเซอร์อัลตราไวโอเลตลึก (DUV) 246 นาโนเมตร 193 นาโนเมตร ปัจจุบันเครื่องพิมพ์หิน DUV เป็นแอปพลิเคชั่นจำนวนมากของเครื่องพิมพ์หิน ความยาวคลื่นคือ 193 นาโนเมตร แหล่งกำเนิดแสงคือเลเซอร์ excimer ArF (อาร์กอนฟลูออไรด์) จาก 45 นาโนเมตร ถึงกระบวนการ 10/7 นาโนเมตรสามารถใช้เครื่องพิมพ์หินนี้ได้ แต่สำหรับโหนด 7 นาโนเมตรนั้นมีขีดจำกัดของการพิมพ์หิน DUV ดังนั้น Intel, Samsung และ TSMC จะแนะนำเทคโนโลยีการพิมพ์หินอัลตราไวโอเลตขั้นรุนแรง (EUV) ที่โหนด 7 นาโนเมตร และ GlobalFoundries ยังได้ศึกษา 7 นาโนเมตร EUV ด้วย กระบวนการ แต่ตอนนี้ได้ละทิ้งมันไปแล้ว เครื่องพิมพ์หินที่ใช้แสงอัลตราไวโอเลตสุดขีด (EUV) เป็นแหล่งกำเนิดแสงคือเครื่องพิมพ์หิน EUV แน่นอนว่านี่ไม่ใช่เรื่องง่ายเหมือนการเปลี่ยนแหล่งกำเนิดแสงอย่างแน่นอน

เหตุใดจึงต้องมีการพิมพ์หิน EUV

ข้อดีประการหนึ่งของ EUV คือการลดขั้นตอนการประมวลผลชิป และการใช้ EUV แทนเทคโนโลยีการสัมผัสซ้อนแบบเดิมจะช่วยลดขั้นตอนการสะสม การกัด และการวัดได้อย่างมาก ปัจจุบันเทคโนโลยี EUV ใช้เป็นหลักในกระบวนการกระบวนการเชิงตรรกะ ซึ่งส่งผลให้ปริมาณการสั่งซื้อ/ความต้องการเพิ่มขึ้นในปี 2562

แหล่งกำเนิดแสง 193 นาโนเมตร DUV ที่ใช้อยู่ในปัจจุบันมีการใช้งานจริงมาตั้งแต่ช่วงปี 2000 แต่ติดอยู่ในเทคโนโลยีของแหล่งกำเนิดแสงที่มีความยาวคลื่นสั้นมากกว่า และเทคโนโลยีการพิมพ์หินที่ความยาวคลื่น 157 นาโนเมตรก็มีเครื่องพิมพ์หินจริงในปี 2003 แต่ความก้าวหน้าเมื่อเทียบกัน ถึงความยาวคลื่น 193 นาโนเมตรเพียง 25% อย่างไรก็ตาม เนื่องจากเลนส์ขนาด 193 นาโนเมตรจะดูดซับคลื่นแสง 157 นาโนเมตร เลนส์และตัวต้านทานแสงจึงต้องได้รับการพัฒนาใหม่ และเทคโนโลยี 193 นาโนเมตรแบบจุ่มที่ราคาถูกกว่าก็มีให้ใช้งานในขณะนั้น ดังนั้น การพิมพ์หิน 193 นาโนเมตร DUV จึงถูกนำมาใช้ในขณะนี้

แน่นอนว่า เราต้องอยากรู้ว่าเหตุใดแหล่งกำเนิดแสงเดียวกันจึงได้มาจากโหนดกระบวนการต่างๆ มากมาย โดยยกตัวอย่างจาก Intel ในปี 2000 มีการใช้ 180 นาโนเมตร และตอนนี้เป็น 10 นาโนเมตร อันที่จริงเครื่องพิมพ์หินจะกำหนด กระบวนการกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์ ความแม่นยำของเครื่องพิมพ์หินสัมพันธ์กับความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงและรูรับแสงตัวเลขของเลนส์ใกล้วัตถุ มีสูตรในการคำนวณ:

(กระบวนการ ∝1/)ความละเอียดของเครื่องพิมพ์หิน =k1*แลม/NA(k1 เป็นค่าคงที่ เครื่องพิมพ์หินที่แตกต่างกัน k1 แตกต่างกัน แลม หมายถึงความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสง NA คือรูรับแสงตัวเลขของเลนส์ใกล้วัตถุ ดังนั้นความละเอียดของเครื่องพิมพ์หินจึงขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงและ รูรับแสงตัวเลขของเลนส์ใกล้วัตถุ ยิ่งความยาวคลื่นสั้น NA ก็จะยิ่งดี ดังนั้นความละเอียดของเครื่องพิมพ์หินก็จะยิ่งสูงขึ้น เทคโนโลยีกระบวนการก็จะยิ่งก้าวหน้ามากขึ้นเท่านั้น)(หมายเหตุ: ส่วนสีน้ำเงินของสูตรถูกเพิ่มตามคำอธิบายสูตรข้างต้น ดังนั้นจึงสมเหตุสมผล)

การพิมพ์หินแบบแช่แบบดั้งเดิมนั้นง่ายมากในการเติมน้ำหนา 1 มม. บนตัวต้านทานเวเฟอร์ น้ำสามารถหักเหความยาวคลื่นแสง 193 นาโนเมตรเป็น 134 นาโนเมตร ต่อมา การปรับปรุงอย่างต่อเนื่องของเลนส์ NA สูง, multi-light, FinFET, Pitch-split และ band Suzuki photoresist เทคโนโลยีหนึ่งใช้เฉพาะ 7nm/10nm ในปัจจุบันเท่านั้น แต่นี่คือขีดจำกัดของเครื่องพิมพ์หิน 193nm ในสภาวะทางเทคนิคที่มีอยู่ รูรับแสงแบบตัวเลข NA ไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะปรับปรุง ค่า NA ของเลนส์ที่ใช้อยู่ในปัจจุบันคือ 0.33 คุณอาจจำได้ว่ามีข่าวก่อนหน้านี้คือ ASML ลงทุน 2 พันล้านดอลลาร์สหรัฐใน Carl Zeiss ซึ่งเป็น ทั้งสองฝ่ายจะร่วมมือกันพัฒนาเครื่องพิมพ์หิน EUV ใหม่ ซึ่งหลายๆ คนไม่ทราบว่าเครื่องพิมพ์หิน EUV มีความสัมพันธ์อย่างไรกับ Zeiss ตอนนี้ควรเข้าใจว่าความร่วมมือ ASML และ Zeiss คือการพัฒนาเลนส์ออพติคอล NA 0.5 ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงความละเอียดของเครื่องพิมพ์หิน EUV ต่อไปในอนาคต แต่เครื่องพิมพ์หิน NA EUV ที่สูงนั้นอย่างน้อยในปี 2568-2573 ยังห่างไกลและความก้าวหน้าของเลนส์สายตายังยากกว่าผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์มาก ไม่สามารถปรับปรุงค่า NA ได้ในช่วงเวลาหนึ่ง ดังนั้นเครื่องพิมพ์หินจึงเลือกที่จะเปลี่ยนแหล่งกำเนิดแสง โดยแทนที่แหล่งกำเนิดแสง DUV ขนาด 193 นาโนเมตรด้วย EUV ความยาวคลื่น 13.5 นาโนเมตร ซึ่งสามารถปรับปรุงความละเอียดของเครื่องพิมพ์หินได้อย่างมากเช่นกัน

ในช่วงครึ่งหลังของทศวรรษ 1990 ทุกคนต่างมองหาเทคโนโลยีที่จะมาแทนที่แหล่งกำเนิดแสงการพิมพ์หิน 193 นาโนเมตร และเสนอให้รวมถึงแหล่งกำเนิดแสง 157 นาโนเมตร การฉายลำแสงอิเล็กตรอน การฉายภาพไอออน การเอ็กซ์เรย์ และ EUV และจากผลลัพธ์ปัจจุบัน มีเพียง EUV เท่านั้น ประสบความสำเร็จ ในตอนแรก นำโดย Intel และกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา กลุ่มของ MOTOROLA, AMD และบริษัทอื่นๆ และห้องปฏิบัติการระดับชาติสามแห่งในสหรัฐอเมริกาได้ก่อตั้ง EUV LLC และ ASML ก็ได้รับเชิญให้เป็นสมาชิกของ EUV LLC ด้วยเช่นกัน ระหว่างปี 1997 ถึง 2003 นักวิทยาศาสตร์หลายร้อยคนที่ EUV LLC ได้ตีพิมพ์บทความจำนวนมากที่แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการพิมพ์หิน EUV จากนั้น EUV LLC ก็ถูกยุบกิจการ

เครื่องต้นแบบการพิมพ์หิน EUV เครื่องแรกของโลกในปี 2549

ถัดไป ASML เปิดตัวต้นแบบของเครื่องพิมพ์หิน EUV ในปี 2549 สร้างสตูดิโอสะอาดขนาด 10,000 ตารางเมตรในปี 2550 สร้างต้นแบบการวิจัยและพัฒนาเครื่องแรก NXE3100 ในปี 2553 และในที่สุดก็สร้างต้นแบบที่ผลิตจำนวนมากในปี 2558 และในการวิจัยนี้ และกระบวนการพัฒนา Intel, Samsung, TSMC ผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้มีการถ่ายเลือดเป็นจำนวนมาก

ในฐานะผู้ผลิตรายเดียวในโลกที่สามารถพิมพ์หิน EUV ได้ ASML ได้รับคำสั่งซื้อจำนวนมากโดยธรรมชาติ ณ ไตรมาสที่สองของปี 2019 จำนวนการติดตั้งเครื่องพิมพ์หิน NEX:3400B EUV ของ ASML มีจำนวนถึง 38 เครื่อง และในช่วงครึ่งหลังของปี พวกเขาเปิดตัวเครื่องพิมพ์หิน NEX:3400C ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ตลอดทั้งปี 2019 มีการส่งมอบเครื่องพิมพ์หิน EUV จำนวน 26 ชุด ซึ่งสร้างรายได้ 2.789 พันล้านยูโร คิดเป็น 31% ของรายได้ต่อปี และเครื่องพิมพ์หินอัลตราไวโอเลตไกลอัลตราไวโอเลต ArFi ที่ขายได้ 82 เครื่อง ตลอดทั้งปีมีรายได้ 4.767 พันล้านยูโร ซึ่งแสดงให้เห็นว่าชุดเครื่องการพิมพ์หิน EUV มีมูลค่าเท่าใด NEX:3400C ใหม่ได้เพิ่มกำลังการผลิตจาก 125 เวเฟอร์ต่อชั่วโมงเป็น 170 เวเฟอร์ต่อชั่วโมง และยอดขายก็เพิ่มขึ้นอย่างมาก

แม้ว่าเครื่องพิมพ์หิน EUV จะมีราคาแพงเกือบถึง 120 ล้านเหรียญสหรัฐต่อชิ้น แต่ผู้ผลิตเซมิคอนดักเตอร์ก็ยินดีที่จะลงทุน เนื่องจากกระบวนการ 7 นาโนเมตรขึ้นไปจำเป็นต้องใช้เครื่องพิมพ์หิน EUV เมื่อใช้กระบวนการ 7 นาโนเมตรเดียวกัน การใช้เทคโนโลยีการพิมพ์หิน EUV หลังทรานซิสเตอร์ ความหนาแน่นและประสิทธิภาพดีขึ้น ตามข้อมูลของ TSMC เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการ 7 นาโนเมตรดั้งเดิม 7 นาโนเมตร EUV (N7+) สามารถเพิ่มความหนาแน่นได้ 1.2 เท่า ประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น 10% สำหรับระดับการใช้พลังงานเท่าเดิม หรือ 15 เท่า ประหยัดพลังงาน % เพื่อประสิทธิภาพเท่าเดิม

ตอนนี้ Samsung และ TSMC ได้ใช้กระบวนการ 7nm EUV เพื่อเริ่มการผลิตชิป สถาปัตยกรรม AMD Zen 3 โปรเซสเซอร์ Rydragon รุ่นที่สี่ที่มีกำหนดวางจำหน่ายในปีนี้คือกระบวนการ TSMC 7nm EUV ซึ่งเป็นกระบวนการ 10nm ในปัจจุบันของ Intel ยังไม่ได้ใช้เทคโนโลยี EUV แต่ มีกำหนดจะใช้ EUV lithography ในช่วงเวลากระบวนการ 7 นาโนเมตร SMIC ในประเทศยังได้สั่งซื้อเครื่องพิมพ์หิน EUV จาก ASML ด้วย แต่เนื่องจากปัญหาต่างๆ เวลาในการจัดส่งจึงยังไม่ชัดเจน

Fountyl Technologies PTE Ltd มุ่งเน้นไปที่อุตสาหกรรมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ผลิตภัณฑ์หลัก ได้แก่: Pin chuck, หัวจับเซรามิกที่มีรูพรุน, เอฟเฟกต์ปลายเซรามิก, คานสี่เหลี่ยมเซรามิก, แกนหมุนเซรามิก ยินดีต้อนรับสู่การติดต่อและการเจรจา！