追踪极紫外光刻的出现

执行摘要 本文介绍了过去十年中出现的最重要技术：极紫外（EUV）光刻的案例研究。2019年，当EUV启用的首款商用电子产品发布时，该技术被誉为“拯救摩尔定律的机器”。1当今所有最先进的人工智能（AI）芯片，智能手机，自动驾驶系统和高性能计算机都包含使用EUV光刻技术制造的半导体 。荷兰公司ASML已成为EUV机器的唯一供应商，赢得了30年的竞争，使该公司垄断了销售制造尖端半导体所必需的工具。2 然而，尽管ASML在开发和商业化EUV方面获得了当之无愧的赞誉，但本文的重点是从一开始就支持EUV的研究界：日本，美国和欧洲的学者;公私伙伴关系;会议;以及在1980年代和1990年代为EUV奠定基础的行业合作。没有这个社区，“有史以来最先进的技术工具”是不可能的。3本文追踪了参与数十年月球拍摄项目的学术，政府和行业参与者，该项目最终使EUV从投机的新兴技术上升到使Nvidia的领先AI训练芯片和Apple最新智能手机成为可能的机制。 对支持EUV开发的研究界进行仔细研究对于当今的政策制定者和半导体行业尤其重要。EUV研究始于20世纪80年代，当时美国S.在双方政府的重大干预下，半导体行业试图抵御崛起的日本公司。同时,业界认识到新一代光刻光源对于制造未来的先进芯片以维持摩尔定律是必要的。如今，类似的情况也存在，美国、欧洲和亚洲的政策制定者都在千载难逢地努力保护和促进各自的半导体产业，与此同时，越来越多的中国企业也试图挑战行业领导者。与此同时，整个半导体行业都认识到了一个缓慢发展的生存危机：人工智能的快速发展必须通过计算能力的快速发展来维持。然而，摩尔定律的终结就在眼前，甚至EUV也无法挽救它。4 EUV的发展反映了以前CSET分析中观察到的许多新兴技术主题。5学术界、工业界和政府之间的研究合作已经发生了几十年，在相关技术方面取得了进展 材料科学、等离子体物理和化学等领域。这一进展已经以期刊文章出版物、专利申请和会议记录的形式记录。随着时间的推移，特定技术将从政府实验室过渡到私营部门，通常是通过公私伙伴关系和为解决和克服技术障碍而成立的财团。最终，私人公司将评估市场机会，进行投资以提高技术的成熟度 ，与客户合作并将技术商业化。在此过程中，政府的支持始终至关重要。 在EUV仍在“新兴”期间，对EUV研究界的文献计量研究为有兴趣识别当今有前途的技术的政策制定者提供了重要的经验教训。它显示了学术研究如何转化为科学进步，政府和企业实验室的作用 ，国际研究合作如何加速创新，公私伙伴关系的力量以及对大量耐心的私营部门资本的需求。本文对这条数十年的创新路径进行了分类，确定了沿途的拐点、信号和子创新。基于这些发现，本文最后介绍了决策者在尝试识别未来新兴技术时可以使用的一组标准。 一家名为ASML的荷兰公司将一项在美国国家实验室生态系统中开创的技术商业化，该技术主要由英特尔资助，这对于有兴趣保护和推广下一项新兴技术的政策制定者来说也具有重要的经验教训 。6新兴技术的国际合作是不可避免的，这种合作的保障需要权衡取舍。投资是创新的重要资金来源 ，但战略性收购可以从根本上改变高度整合行业的竞争态势。最后，新兴技术供应链在私营部门发展和成熟，其动机是利润和可靠性，而不是地缘战略竞争力。EUV工具被垄断，但EUV研究社区和底层供应链是全球化的。 目录 执行摘要1 TableofContents3 Introduction4 光刻和EUV4的背景 的发展EUV7 EUV起源9 基础研究和技术示范(1981–1992)10 应用研究与技术开发(1993–1997)11 财团和行业主导的技术成熟(1997–2009)12 合作：联盟的形成与全球研究议程12 竞争：新兴EUV领导力15 商业化和大批量制造（2010年至今）19 EUV研究社区：表征出现的信号21 研究社区组成和参与21 研究社区出版物和技术领域Focus22 识别、保护和促进下一个新兴市场技术24 识别下一个新兴市场技术24 保护和促进下一个新兴市场技术26 促进新兴技术27 保护新兴市场技术28 结论30 作者31 致谢31 附录1.新兴技术属性32 附录2.下一代光刻和光Sources33 附录3.比较SPIE和Scopus/WebofScience的EUV出版强度，1994-201736 尾注37 Introduction 光刻和EUV背景 极紫外（EUV）光刻技术是一系列技术成就中的最新创新，这些技术成就支持了半导体行业从1960年代到现在对摩尔定律的遵守。7在半导体制造中,光刻是使用光敏化学品在硅晶片上压印电路的过程。这项技术的功能很像拍摄照片的过程：光线通过包含电路图案的图像（行业术语中的“掩模” ）进行过滤。该图案被投影到晶片上,该晶片被光敏化学品(“光致抗蚀剂”)覆盖。光与晶片表面上的材料相互作用,根据需要沉积图案。在晶片上制造所需的电路图案(图1)之前,重复该过程数十次。 图1.光刻工艺 资料来源：三星，“第4部分，纳米级绘制结构”，2017年9月22日，https://saleditor.samsung.com/support/tools-resources/fabrication-process/八要素-半导体-制造-工艺-第4部分-光刻-铺设-蓝图/。 这种光刻工艺最初是在1950年代后期在仙童半导体和德州仪器公司开发的，用于半导体行业。8随着时间的推移，随着电路缩小到纳米级，工业被迫采用独特的光刻专用光源和相关技术，因为可见光谱的光超过了所需电路图案的宽度。引入了特殊光源，从而实现了深紫外（DUV）光刻。但是 ，早在1980年代，DUV技术的局限性就已广为人知。9了解到手头任务的复杂性，半导体行业开始探索下一代光刻技术（NGL）的科学和技术优点，以便在必要之前几十年制造先进的微电子技术。 EUV光刻技术在几个重要方面与半导体行业使用的早期光刻方法不同，特别是光源。EUV光刻技术通过使用高功率激光器每秒焚烧50,000个锡滴（每个测量为30微米或30百万分之一米）来产生极紫外光。10由于EUV光被空气和玻璃吸收，因此在有史以来生产的最完美（如无瑕疵）的材料中，特殊的镜子会将光引导通过掩模并引导到真空室中的晶片上。11最终，该工艺为当今最先进的半导体提供了所需的超细电路（图2）。 图2.EUV机器的横截面图 资料来源：MaartenSteinbuch，TomOomen和HansVermeulen，“运动控制，机电一体化设计和摩尔定律”，《IEEJ工业应用杂志》第12期，第2期（2022年），www.jstage.jst.go.jp/article/ieejjia/11/2/11_21006010/_文章。 五千家供应商提供100,000个零件，3,000个电缆，40,000个螺栓和两公里的软管，以制造 EUV工具。该工具重约18万公斤（200吨），40个集装箱中的船舶分布在20辆卡车和3架货机上。12据报道，ASML仅在内部生产EUV工具的15％，与全球公司进行战略合作，以采购最高质量的组件。13ThishasresultinauniqueinternationalproductthatisDutchinnameonly. ThoughASMLdoesnottalkindetailpublicaboutitssuppliersandtheEUVsupplychain,Table1presentsalistofrecentknownsuppliersofspecificEUVsubcomponents. 表1.著名的EUV子组件和供应商摘要 组件 子组件 供应商 遮罩坯料 沉积 Veeco（美国），应用材料（美国） Inspection KLA(美国),Lasertec(日本) 空白 AGC（日本），Hoya集团（日本） 掩模图案化 图案化 IMS纳米加工(奥地利)、NuFlare技术(日本)、JEOL(日本) 蚀刻 应用材料（美国），东京电子（日本） 清洁 SUSSMicroTec（德国），应用材料（美国），屏幕（日本） Inspection KLA（美国），HMI（美国，由ASML拥有），NuFlareTechnology（日本），Lasertec(日本) 缺陷审查 Lasertec(日本),蔡司(德国) 修理 蔡司（德国），RAVE（美国，由Bruker拥有），日立（日本） 遮罩处理 薄膜 ASML（荷兰），TeledyneDALSA（加拿大），S&STech（南韩国) 面罩吊舱 Entegris（美国），谷登精密（台湾） 涂布机和开发人员 东京电子（日本），林研究（美国） 光致抗蚀剂 光致抗蚀剂 JSR（日本），信越化学（日本），东京OhkaKogyo（日本），Infria（美国，由JSR拥有），杜邦（美国），林研究（美国），Gelest(美国) 光学 镜子 蔡司（德国），柏林人Glas（德国，由ASML拥有） 光源 激光 Cymer（美国，由ASML拥有），TRUMPF（德国） Vessel VDL启用技术(荷兰) 晶圆处理 晶圆处理 VDLEnablingTechnologies(荷兰),BerlinerGlas(德国,由ASML拥有) 计量学 HENSOLDT(德国),ASML(荷兰) 来源：作者汇编。14 EUV工具对半导体行业至关重要，因此ASML已成为技术行业的领导者：能够负担得起EUV工具的公司，据报道，截至2023年，EUV工具的成本为3.5亿美元，能够制造世界上最先进的芯片 。15买不起EUV工具的公司（或必须等待延期订单被清除）满足于制造第二好的芯片。这一角色也使ASML处于地缘政治紧张局势之中。渴望制造世界上最先进电子产品的中国公司目前因国家安全原因而被禁止购买EUV工具。16 EUV的发展 以下各节从时间顺序和文献计量的角度描述了EUV的发展。EUV发展发生在学术实验室，公司 研究与开发（R＆D）设施，私人公司和公私合作伙伴关系在30年的过程中。首先，介绍了EUV开发计划的时间顺序历史，强调了学术界，政府和行业的主要贡献，以及他们努力克服的集体技术障碍。 第二是对30年EUV研究议程的文献计量分析。EUV光刻技术的大部分发展都以出版物，会议记录和专利申请的形式出现在公共记录中。分析来自光电仪器工程师协会（SPIE）的一本书，EUV光刻技术，该书于2008年出版，并于2018年修订。17本手册从技术角度介绍了EUV的发展历史 ，主要由1980年代至今活跃于研究界的主要贡献者撰写。重要的是，它提供了相应的出版物，参与者和叙事历史的全面列表。 本文献计量分析侧重于EUV研究界在EUV是一项新兴技术的30年期间取得的成就。分析显示了特定的拐点和成就，可用作识别当今可能出现的其他技术的信号。它还审查了政策制定者在这些拐点保护和促进新兴技术的选择。 EUV起源 EUV研究的第一阶段重点是展示在半导体制造中使用软X射线投影光刻（SXPL）的技术前景和可行性。下一阶段的重点是开发成像系统和系统集成，并确定技术障碍和潜在的“展示障碍”。从1990年代后期到2010年，工业界介入并将EUV研究议程集中在系统开发上，为大批量制造做准备（图3）。从2010年到现在，ASML已经成为EUV系统的唯一供应商，在2013年成功交付了其第一款所谓的“生产就绪型”EUV光刻工具。然而，直到2019年，第一批包含EUV支持半导体的电子设备才开始上市。 图3.EUV开发和著名演员的时间表 资料来源：NelsonM.Felix和DavidT.AttwoodJr.，“EUV光刻透视：从开始到HVM（会议演示）”，SPIE高级光刻，加利福尼亚州圣何塞，2020年，视频，2020年4月28日，75:00，www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings/11323/2572271/EUV-Lith 基础研究和技术示范（1981-1992） 软X射线减少成像技术后来成为EUV