آیا شگفت‌انگیز نیست که در قلب تراشه‌ی گوشی هوشمند درون جیب شما، میلیاردها ترانزیستور بر روی تراشه‌ای به اندازه‌ی ناخن انگشت قرار دارد؟ از این هم شگفت‌انگیزتر، دستگاهی است که این ترانزیستورها را بر روی تراشه می‌سازد: دستگاه لیتوگرافی فرابنفش بسیار شدید (EUV).

این دستگاه خارق‌العاده که قیمت آن‌ به بیش از ۱۵۰ میلیون دلار نیز می‌رسد، از نوری استفاده می‌کند که طول موجی فقط به اندازه‌ی ۱۳٫۵ نانومتر دارد: اندازه‌ای کوچک‌تر از یک ویروس! دستگاه EUV الگوهای پیچیده‌ای را روی ویفرهای سیلیکونی حک می‌کند و پایه و اساس ریزتراشه‌هایی را می‌سازد که همه چیز از ابرکامپیوترها گرفته تا خودروهای خودران را به حرکت درمی‌آورند.

اما آنچه دستگاه‌های EUV را واقعا شگفت‌انگیز می‌کند، دقت فوق‌العاده‌ی آن‌ها نیست، بلکه ابعاد نوآوری در پس این فناوری است. تولید نور از قطرات قلع مذاب، تنظیم اجزا با دقتی کمتر از اندازه‌ی یک اتم و انجام میلیاردها عملیات بدون نقص در هر ثانیه، فرایندی در دنیای واقعی را نشان می‌دهد که شبیه داستان‌های علمی‌تخیلی به نظر می‌رسد. فناوری EUV به عنوان یک دستاورد مهندسی، مرزهای نوآوری را جابه‌جا و راه را برای نسل بعدی محاسبات هموار می‌کند.

در این مقاله می‌خواهیم شما را به سفری هیجان‌انگیز به قلب تپنده‌ی تکنولوژی ببریم. برای آشنایی با دستگاه‌‌های فوق‌پیشرفته‌ی لیتوگرافی فرابنفش بسیار شدید که تنها یک شرکت هلندی قادر به ساخت آن است، با ما همراه شوید.

لیتـوگرافی یکی از فرآیندهای کلیدی در ساخت تراشه‌های الکترونیکی است که امکان تولید مدارهای بسیار کوچک و پیچیده را فراهم می‌کند. این فناوری به زبان ساده به معنای «نوشتن با نور» است.

در لیتـوگرافی، طرح مدارهای الکترونیکی روی سطحی به نام ویفر (معمولاً از جنس سیلیکون) چاپ می‌شود. ابتدا سطح ویفر با لایه‌ای حساس به نور (فتورزیست) پوشانده می‌شود. سپس با استفاده از نور یا پرتوهای خاص مانند پرتوهای فرابنفش (UV)، طرح مدار روی این لایه تابیده می‌شود. بخش‌هایی از فتورزیست که در معرض نور قرار می‌گیرند، تغییر خاصیتی می‌دهند و در مرحله‌ی بعدی شسته می‌شوند تا طرح اصلی روی ویفر باقی بماند.

این فرآیند که با دقت بسیار بالا انجام می‌شود، برای تولید تراشه‌هایی که در گوشی‌های هوشمند، کامپیوترها، خودروها و بسیاری دیگر از دستگاه‌های پیشرفته به کار می‌روند، ضروری است. پیشرفت در فناوری لیتوگرافی به تولید تراشه‌های سریع‌تر، کوچک‌تر و کارآمدتر کمک کرده است.

مفهوم اصلی لیتوگرافی، ریشه‌هایی در یک هنر قدیمی با قدمتی بیش از ۲۰۰ سال دارد. البته در آن زمان ویفر سیلیکونی یا حتی مفهوم لیتوگرافی برای ساخت تراشه وجود نداشت، اما ایده‌ی انتقال الگو شناخته شده بود.

لیتوگرافی که با ایده‌پردازی نمایشنامه‌نویس آلمانی به نام یوهان آلویس زنفِلدر در سال ۱۷۹۶ آغاز شد، در مقایسه با روش‌های سنتی نقاشی و مجسمه‌سازی، تکنیک نسبتاً جدیدی محسوب می‌شود. زنفِلدر که در بدهی فرو رفته بود، شروع به آزمایش روش‌های مختلف کرد تا راهی ارزان‌تر برای چاپ نمایشنامه‌ای که به تازگی نوشته بود، پیدا کند. او ابتدا از تکنیک‌های شناخته‌شده‌ی حکاکی استفاده کرد که در آن از جوهری چرب و مقاوم در برابر اسید روی سنگ آهک صافی بهره می‌برد.

پس از مدتی تجربه، زنفِلدر متوجه شد که می‌تواند مستقیماً از سطح سنگ چاپ کند. این روش بر پایه‌ی یک اصل ساده‌ی شیمیایی استوار است: چربی و آب با یکدیگر ترکیب نمی‌شوند. ویژگی آب‌گریز بودن چربی به او امکان داد تا به جای استفاده از حکاکی‌های پیچیده، با جوهر چرب روی سنگ نقاشی کند. روش لیتوگرافی به‌سرعت محبوب شد، زیرا هنرمندان توانستند آثارشان را با کیفیت بالا و به تعداد زیاد تکثیر کنند، بدون اینکه ظرافت و جزئیات اثر اصلی از بین برود.

امروزه واژه لیتوگرافی به جای مفهوم چاپ به کمک جوهر چرب، به فرایند ساخت تراشه‌ها پیوند خورده است. طی دهه‌های گذشته و با شتاب گرفتن سرعت پردازش داده‌ها و نیاز به تراشه‌های سریع‌تر، لیتوگرافی در خط مقدم نوآوری‌ها قرار دارد.

لیتوگرافی EUV با تولید پرتوی نوری در طول موجی خاص آغاز می‌شود. سپس این پرتو توسط چندین آینه‌ی کوژ به ماسکی که الگوهایی مانند تراشه دارد، برخورد می‌کند تا طرح تراشه‌‌ی موردنظر به ویفر سیلیکونی منتقل شود. نکته‌ی مهم استفاده از آینه‌ها، کوچک کردن بازتاب الگوی روی ماسک است. نمودار زیر، این فرایند را به طور خلاصه نمایش می‌دهد.

با مروری بر تاریخچه‌ی عرضه‌ی تراشه‌ها، تحول این فناوری بیش از پیش برجسته می‌شود. تکنیک‌های لیتوگرافی به مرور از زمان ساخت نخستین مدارهای مجتمع که فقط چندین هزار ترانزیستور را در خود جای می‌دادند تا امروز که ده‌ها میلیارد ترانزیستور در تراشه‌ها جای دارند، پیشرفته‌تر شده‌اند.

در طول دهه‌های اخیر، صنعت لیتوگرافی شاهد پیشرفت‌های چشمگیری بوده است؛ شرکت‌های مختلفی در این زمینه فعالیت کرده‌اند که هر یک نقش مهمی در توسعه‌ی این فناوری داشته‌اند. صنعتی‌سازی فرایند لیتوگرافی در شرکت نیمه‌رسانای فیرچایلد (Fairchild Semiconductor)، در سال ۱۹۵۹ توسط ژان هرنی ابداع شد که شامل کاشت ترانزیستور به کمک اکسید سیلیکون رشد یافته روی ویفر نیمه‌رسانا بود. فیرچایلد در سال ۱۹۶۰، با همین تکنیک اولین مدار مجتمع سیلیکونی با چهار ترانزیستور روی یک ویفر را ساخت و مسیر تولید انبوه مدارهای مجتمع را هموار کرد.

نوآوری‌های فیرچایلد در زمینه‌ی لیتوگرافی نوری و تولید نیمه‌رساناها منجر به رشد سریع این شرکت شد. در طی چند سال تعداد کارکنان از ۱۲ نفر به ۱۲ هزار نفر افزایش یافت و درآمد سالانه نیز تا ۱۳۰ میلیون دلار پیش رفت. این پیشرفت‌ها، تا اواسط دهه‌ی ۱۹۶۰ فیرچایلد را به رهبری در صنعت نیمه‌رساناها تبدیل کرد که بیش از ۳۰ درصد بازار را در اختیار دارد.

در ادامه، مرور کوتاهی بر پیشرفت این صنعت و شرکت‌های فعال در این زمینه می‌پردازیم:

• دهه‌ی ۱۹۶۰: شرکت نیمه‌رسانای فیرچایلد در سال ۱۹۵۷ تأسیس شد و نقش مهمی در توسعه‌ی اولیه‌ی فناوری نیمه‌رسانا ایفا کرد. رابرت نویس (که سال‌های بعد یکی از بنیانگذاران اینتل شد)، یکی از بنیان‌گذاران فیرچایلد بود و پتانسیل لیتوگرافی نوری برای چاپ مدارهای الکترونیکی روی ویفرهای سیلیکونی را دریافت. این دیدگاه نقشی اساسی در ساخت اولین مدار مجتمع داشت و رقابت برای کوچک‌سازی هرچه بیشتر ابعاد در طراحی تراشه‌ها را آغاز کرد.
• دهه‌ی ۱۹۸۰: شرکت‌هایی مانند نیکون و کانن وارد بازار تجهیزات لیتوگرافی شدند و ماشین‌آلات پیشرفته‌ای را معرفی کردند. در این دوره گذار از لیتوگرافی تماسی به لیتوگرافی انعکاسی صورت گرفت.
• دهه‌ی ۱۹۹۰: ASML که در سال ۱۹۸۴ در هلند تأسیس شد، جای خود را به عنوان یکی از بازیگران اصلی در زمینه‌ی تولید ماشین‌آلات لیتوگرافی تثبیت کرد. این شرکت با معرفی سیستم‌های پیشرفته‌ی لیتوگرافی، مهم‌ترین شرکت تکنولوژی امروز دنیا است.
• دهه‌ی ۲۰۰۰: با ورود به قرن جدید، تحقیقات در زمینه‌ی لیتوگرافی فرابنفش عمیق (DUV) و لیتوگرافی فرابنفش بسیار شدید (EUV) شدت گرفت. شرکت‌هایی مانند ASML، نیکون و کانن در این زمینه سرمایه‌گذاری‌های هنگفتی انجام داده‌اند.
• دهه‌ی ۲۰۱۰ تا امروز: ASML به عنوان تنها تولیدکننده‌ی دستگاه‌های لیتوگرافی EUV در دنیا شناخته می‌شود. این شرکت با همکاری نزدیک با شرکت‌هایی مانند TSMC، سامسونگ و اینتل، نقش کلیدی در پیشبرد فناوری نیمه‌رسانا ایفا می‌کند.

امروزه شرکت‌های انگشت‌شماری در زمینه‌ی تولید دستگاه‌های لیتوگرافی فعال هستند که هر کدام به یک بخش از بازار نیمه‌رساناها توجه دارند. در بین آن‌ها، ASML به‌عنوان تنها تأمین‌کننده دستگاه‌های لیتوگرافی EUV در دنیا، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

دستگاه‌های ASML، از جمله TWINSCAN EXE:5000، قادر به ساخت تراشه‌هایی با کامپوننت‌هایی به ابعاد ۳ نانومتر و حتی کوچک‌تر هستند. این ماشین‌آلات بسیار پیچیده که هر یک بیش از ۳۵۰ میلیون دلار قیمت دارند، برای حفظ برتری تراشه شرکت‌های بزرگی مانند اینتل، TSMC و سامسونگ، حیاتی هستند.

از سوی دیگر، نیکون هم یکی از بازیگران مهم در بازار تجهیزات لیتوگرافی است. این شرکت اخیراً از توسعه‌ی دستگاهی برای لیتوگرافی با وضوح یک میکرون خبر داده است که قرار است در سال ۲۰۲۶ عرضه شود. این سیستم ترکیبی از فناوری وضوح بالای نیکون در لیتوگرافی نیمه‌رسانا و بهره‌وری فناوری لنزهای چندگانه از سیستم‌های لیتوگرافی این شرکت است.

همچنین، نیکون مجموعه‌ای از ماشین‌آلات دیگر لیتوگرافی مانند اسکنرهای NSR-S636E و NSR-S625E برای لیتوگرافی پیشرفته و سیستم‌های تخصصی برای کاربردهای دستگاه‌های بسیار ریز مکانیکی (MEMS)، LED و بسته‌بندی تراشه‌ها ارائه می‌کند.

کانن هم در حال گسترش دستگاه‌های لیتوگرافی با فناوری‌های نوآورانه است. در سال ۲۰۲۳، کانن دستگاه FPA-1200NZ2C را برای لیتوگرافی نانومتری در تولید نیمه‌رساناها معرفی کرد. این سیستم از یک روش منحصربه‌فرد «مُهر زدن» برای انتقال الگوهای مداری استفاده می‌کند که امکان ایجاد الگوهایی با عرض خطی حداقل ۱۴ نانومتر (معادل فناوری گره‌ی ۵ نانومتری) را فراهم می‌آورد.

فناوری NIL کانن نسبت‌به تجهیزات لیتوگرافی نوری معمولی مزایای بالقوه‌ای در کاهش مصرف انرژی و هزینه‌ها دارد. این شرکت به تازگی دستگاه FPA-3030i6 i-line stepper را برای تولید تراشه از ویفرهایی با قطر کمتر از ۲۰ سانتیمتر معرفی کرده است که از لنزهای پیشرفته‌ای برای کاهش انحرافات نور و افزایش بهره‌وری استفاده می‌کند.

شرکت آمریکایی Veeco Instrumentsنیز دستگاه‌هایی برای لیتوگرافی در کاربردهای مختلف نیمه‌رسانا، به ویژه بسته‌بندی پیشرفته‌ی تراشه‌ها، ارائه می‌دهد. دستگاه‌های Veeco به دلیل عملکرد بالا، زمان کاربری طولانی و هزینه‌های مالکیت پایین‌تر در بازار شناخته می‌شوند. خانواده‌ی دستگاه‌های لیتوگرافی AP200/300، عملکرد برجسته‌ای در انطباق و وضوح دارند که برای کاربردهایی مانند اتصال‌های مسی (معروف به Via)، فن‌آوت (fan-out)، و معکوس‌گرهای سیلیکونی مناسب هستند.

فناوری لیتوگرافی نوری که یکی از پایه‌های اصلی ساخت تراشه به شمار می‌رود، از پرتوهای تک فرکانس برای ایجاد الگوهای پیچیده‌ی مدارها روی ویفرهای سیلیکونی استفاده می‌کند. این فرایند غالبا از پرتوی فرابنفش (UV) با طول موج‌هایی در بازه‌ی ۴۳۶ نانومتر تا ۱۳٫۵ نانومتر بهره می‌برد.

در روش‌های سنتی، از لامپ‌های جیوه‌ای برای تولید نور در طول موج‌های ۴۳۶ نانومتر (g-line)، ۴۰۵ نانومتر (h-line) و ۳۶۵ نانومتر (i-line) استفاده می‌شد. با این حال، با افزایش نیاز صنعت به وضوح و کارایی بیشتر، بهره بردن از طول موج‌های کوتاه‌تر ضروری شد.

جدیدترین روشی که در ساخت تراشه‌های امروزی استفاده می‌شود، لیتوگرافی فرابنفش بسیار شدید یا EUVL نام دارد. ازآنجاکه این امواج از منابع نوری طبیعی سرچشمه نمی‌گیرند، نیاز به ابزار خاصی برای تولید از پلاسما دارند.

در ابتدای فرایند تولید پرتو برای لیتوگرافی، یک سیستم تولید پلاسمای مبتنی بر لیزر قرار دارد که نور را در طول موج خاصی تولید می‌کند. مولد لیزر CO₂ یکی از اجزای کلیدی در دستگاه EUVL است که از یک ساختار تقویت‌کننده اصلی-نوسان‌گر (MOPA) استفاده می‌کند تا توان مورد نیاز برای تولید پرتوی EUV را تولید کند.

در مرکز این سیستم، یک نوسان‌گر اصلی، پالس اولیه‌ی لیزر CO₂ با توان کم و در طول موج ۱۰٫۶ میکرون تولید می‌کند. چنین طول موجی هم از نظر تئوری و هم تجربی به عنوان بهترین گزینه برای ایجاد منابع پلاسما شناخته می‌شود. همچنین استفاده از لیزر CO₂ در این طول موج تضمین می‌کند که هدررفت انرژی در طول فرایند تقویت، نسبت به لیزرهای حالت جامد کاهش یابد.

سپس پالس اولیه‌ از طریق پنج مرحله‌ی تقویت‌کننده عبور کرده و توان آن ۱۰,۰۰۰ برابر افزایش می‌یابد تا به میانگین توان ۲۰ کیلووات و بیشینه‌ی چندین مگاوات برسد. ماژول MOPA همچنین وظیفه‌ی تنظیم مدت‌ زمان پالس لیزر را نیز برعهده دارد. فرایند تولید پرتوی لیزر باید در محیطی کاملا خلأ انجام شود، زیرا تقریباً تمامی مواد، امواج پرتوان را جذب و تضعیف می‌کنند.

لیزر پرقدرت تولید شده با دقت بسیار بالا به قطرات قلع برخورد می‌کند. هر قطره دو بار و به سرعت مورد هدف قرار می‌گیرد. اولین پالس لیزر که شدت کمتری دارد، قطره‌ی قلع را به شکلی مسطح در می‌آورد و پالس دوم که قدرت بیشتری دارد، این قطره‌ی مسطح شده را تبخیر می‌کند تا پلاسمای بسیار داغی ایجاد شود. بعد از دومین شلیک، پلاسما تا دمای شگفت‌آور ۲۲۰,۰۰۰ درجه‌ی سانتی‌گراد داغ می‌شود.

پلاسمای قلع برانگیخته شده (یونیزه)، فوتون‌هایی در طیف فوق فرابنفش ساطع می‌کند. این فرایند با سرعت شگفت‌آوری تا ۵۰,۰۰۰ بار در ثانیه رخ می‌دهد. سپس نور فرابنفش شدید تولید شده با استفاده از مجموعه‌ای از آینه‌های چندلایه‌ی سهموی جمع‌آوری و متمرکز می‌شود، زیرا لنزهای سنتی این تابش با طول موج کوتاه را جذب می‌کنند. همه‌ی این رقص پیچیده‌ی لیزرها، قطرات قلع و پلاسمای داغ در یک محفظه با حضور گاز هیدروژن انجام می‌شود که برای جلوگیری از رسوب قلع بر سطح آینه‌ها ضروری است.

سفر فوتون‌ها از آینه‌ی جمع‌کننده (کوژ) ادامه پیدا می‌کند که یک بازتاب‌کننده‌ی بزرگ بیضوی است و وظیفه‌ی جمع‌آوری نور منتشر شده از منبع پلاسما را در یک نقطه‌ی کانونی دارد. از آنجا، پرتوی فرابنفش بسیار شدید وارد اسکنر می‌شود؛ جایی که با مجموعه‌ای از ۱۰ آینه‌ی چندلایه‌ی دیگر مواجه می‌شود.

پس از تولید نور از طریق پلاسمای فوق داغ قلع برانگیخته شده، فوتون‌های تابیده شده باید به طور هدفمند در خلا هدایت شوند تا عملکرد درست دستگاه‌های لیتوگرافی تضمین شود. این کار از طریق مجموعه‌ای از آینه‌های چندلایه‌ی خاص انجام می‌شود.

این آینه‌ها از لایه‌های متناوب مولیبدن و سیلیکون تشکیل شده‌اند که هر کدام تنها ۲ تا ۴ نانومتر ضخامت دارند. یک آینه‌ی معمولی EUV از بیش از ۵۰ جفت لایه ترکیبی تشکیل شده است که روی یک بستر ویفر سیلیکونی به وسیله فرایند رسوب‌دهی فیزیکی بخار ساخته شده‌اند. ساختار چند لایه‌ی این آینه‌ها از تداخل امواج برای دستیابی به بازده مناسبی در بازتاب پرتوی EUV استفاده می‌کند.

فرایند تولید آینه‌ها بسیار دقیق است، طوری‌که هر لایه‌ی مولیبدن و سیلیکون به‌طور جداگانه با دقت بسیار بالا رسوب داده می‌شوند تا از ایجاد اعوجاج جلوگیری شود. پس از رسوب‌دهی، آینه‌ها به‌طور دقیق صیقل داده می‌شوند تا سطح صاف موردنظر به‌دست آید. برای غلبه بر چالش‌های ساخت آینه‌های لیتوگرافی، باید انرژی جنبشی ذرات را هنگام رسوب‌دهی به‌طور دقیق کنترل کرد.

یکی از بزرگترین چالش‌ها در طراحی آینه‌های EUVL، حفظ عملکرد آن‌ها تحت تابش طولانی مدت EUV است. ماده‌ی زیرین لایه‌ی انعکاس آینه‌ها که معمولاً از شیشه یا سرامیک شیشه‌ای انتخاب می‌شود، قابلیت انبساط کمی دارد. این ماده به دلیل تابش پرانرژی EUV، معمولاً پس از چند چرخه‌ی کاری، تغییرات چگالی می‌یابد که سبب ایجاد انحنا در آینه و اعوجاج پرتو می‌شود.

برای کاهش این مشکل، پژوهشگران تکنیک‌های فشرده‌سازی پیش از شروع فرایند را توسعه داده‌اند که با استفاده از فشار ثابت از طریق القای گرما، چگالی زیرلایه‌ی آینه را افزایش می‌دهد تا از فشرده‌سازی بیشتر در حین استفاده جلوگیری کند.

مدیریت حرارتی آینه‌ها، جنبه‌ی حیاتی دیگری در طراحی آینه‌های EUV است. آینه‌ها باید با وجود دریافت پرتوهای پرانرژی، ثبات اندازه‌ی خود را حفظ کنند. لایه‌های زیرین آینه و عنصر مولیبدن، نباید انبساطی بیشتر از ۱۰ میلیاردیم متر به ازای هر ۱۵ درجه‌ی سانتیگراد داشته باشند. برخی از طرح‌های پیشرفته، شامل لایه‌بندی آینه‌ها به چندین بخش با دماهای عبور مختلف هستند که برای بهینه‌سازی عملکرد حرارتی در شرایط عملیاتی چیده شده‌اند.

در فرایند انتقال الگو، یک ماسک نوری که شامل الگوی مدار موردنظر است، به عنوان شابلون عمل می‌کند و در مسیر تابش پرتوی EUV به یک ویفر سیلیکونی پوشیده شده با لاک نوری (Photoresist)، قرار می‌گیرد. البته ماسک و سایر قطعات نوری، برای افزایش وضوح و جلوگیری از ایجاد اثر نیم‌سایه‌ای به جای روش انکساری (قرار دادن ماسک در جلو منبع نور)، از روش بازتابی استفاده می‌کنند.

ماسک معمولاً از یک آینه‌ با ۴۰ لایه‌ی دوگانه و یک لایه‌ی جاذب روی آن تشکیل شده است که تابش EUV را در زوایای خاصی بازتاب می‌دهد تا سایه‌ی تمیزی از الگو را بر روی ویفر سیلیکونی ایجاد کند. ضخامت ۶۰ نانومتری لایه‌ی جاذب روی الگو، بیش از چهار برابر طول موج EUV است که منجر به تعاملات پیچیده‌ی بین نور و ساختار ماسک می‌شود.

این تعاملات منجر به ایجاد چندین سایه می‌شود که می‌تواند کیفیت نهایی تصویر را افزایش دهد. سایه‌ی ایجادشده دوباره از میان چندین آینه که با موادی مانند سیلیکون و مولیبدن پوشانده شده‌اند، بازتاب می‌یابد.

آینده‌ی لیتوگرافی EUV با پیشرفت‌های فناوری کلیدی مشخص می‌شود که هدف آن‌ها غلبه بر محدودیت‌های روش‌های فعلی و گسترش مرزهای تولید تراشه است. با این حال، چند چالش بزرگ در مسیر توسعه این فناوری وجود دارد. نخست، هزینه‌ی دستگاه‌های لیتوگرافی EUV به‌طور چشمگیری بیشتر از فناوری‌های قدیمی‌تر است که می‌تواند مانع پذیرش گسترده‌ی این فناوری شود.

دوم، فرایند لیتوگرافی EUV، نیاز به کنترل دقیق پرتوی فرابنفش شدید و سامانه‌های نوری پیچیده‌ای دارد که کارایی دستگاه را به چالش می‌کشد. همچنین، به‌دلیل توان مصرفی بالای تقویت‌کننده‌های لیزر اولیه، تولید پرتوی EUV به انرژی زیادی نیاز دارد.

اما باوجود چالش‌های موجود در تولید پرتوی فرابنفش بسیار شدید، این دستگاه مزایایی همچون امکان دستیابی به وضوح بالاتر بر روی تراشه را فراهم می‌کند. EUV اجازه می‌دهد کامپوننت‌های بسیار کوچکتری نسبت به تکنیک‌های لیتوگرافی قبلی روی ویفر ایجاد شود.

این قابلیت منجر به افزایش چگالی تراشه‌ها می‌شود تا تعداد بیشتری ترانزیستور در فضای ثابت قرار گیرند، که نتیجه‌ی آن تولید تراشه‌های قدرتمندتر و کارآمدتر است. به‌علاوه، EUV با کاهش تعداد مراحل لازم برای ایجاد الگوهای پیچیده، فرایند تولید را سریع‌تر و کارآمدتر می‌سازد.

از مهم‌ترین تحولات پیش‌رو، رونمایی ASML از سیستم‌های EUV با آستانه‌ی بالای ضریب روزنه (High Numerical Aperture یا High-NA) است. در قلب فناوری High-NA EUV، همچنان از پرتویی با طول موج ۱۳٫۵ نانومتر بهره برده می‌شود، زیرا این طول موج همچنان دقتی بی‌سابقه در حکاکی الگوها روی ویفرهای سیلیکونی دارد.

ضریب روزنه (یا به اختصار NA) یک مفهوم فیزیکی است که در سیستم‌های نوری مانند میکروسکوپ‌ها، دوربین‌ها به کار می‌رود. این مفهوم میزان توانایی یک لنز یا سامانه‌ی نوری را برای جمع‌آوری و تمرکز پرتوها نشان می‌دهد. هر چه NA بالاتر باشد، سامانه پرتوی بیشتری را می‌تواند جمع‌آوری کرده و جزئیات دقیق‌تری را نمایش دهد. ضریب روزنه به صورت زیر تعریف می‌شود:

NA = n × sin(θ)

• n: ضریب شکست ماده‌ای (مانند هوا، آب، یا شیشه) که لنز یا سیستم نوری با آن کار می‌کند.
• θ: زاویه بزرگ‌ترین پرتوی نوری که می‌تواند وارد لنز شود و همچنان در کانون تصویر قرار گیرد.

در لیتوگرافی، ضریب روزنه یکی از عوامل کلیدی در تعیین وضوح تصویر به شمار می‌رود. هرچه NA بزرگ‌تر باشد، دقت تفکیک سیستم نوری بالاتر می‌رود تا امکان چاپ خطوط و فواصل ریزتر فراهم شود. این ویژگی در نهایت سبب پیاده‌سازی جزئیات و الگوهای پیچیده‌تری بر روی ویفر می‌شود.

پیشرفت کلیدی اخیر ASML در این فناوری، افزایش ضریب روزنه از ۰٫۳۳ در سیستم‌های EUV کنونی به ۰٫۵۵ در سیستم‌های High-NA EUV است که رشدی معادل ۶۷ درصد دارد. این جهش در ضریب روزنه از طریق بازطراحی آینه‌ها به دست می‌آید. در طراحی جدید، از آینه‌های بزرگ‌تر و غیرمتقارن (Anamorphic) استفاده می‌شود که توانایی متمرکز کردن بیشتری ارائه می‌دهند. فناوری High-NA EUV می‌تواند تفکیکی معادل ۸ نانومتر ارائه دهد که به معنای حکاکی خطوطی با گام (Pitch) ۱۶ نانومتر در هر مرحله‌ی نوردهی است.

با این حال، افزایش ضریب روزنه (NA) چالش‌های قابل‌توجهی به همراه دارد. با بزرگ‌تر شدن NA، عمق فوکوس کاهش می‌یابد، به این معنا که محدوده‌ی وضوح تصویر محدودتر می‌شود. این موضوع بازطراحی کامل دستگاه لیتوگرافی را اجتناب‌ناپذیر می‌کند.

برای فناوری گره‌‌ی زیر ۲ نانومتر، سیستم‌های High-NA EUV با چالش‌های جدیدی از جمله ظرفیت تولید (Throughput)، ماسک‌های جدید، قطبیت نور (Polarization)، لاک‌های نوری نازک‌تر (Thinner Resists) و پراکنش تصادفی الکترون‌های ثانویه (Secondary Electron Blur) مواجه خواهند بود. عمق فوکوس کاهش‌یافته نیازمند استفاده از لاک‌هایی با ضخامت کمتر از ۳۰ نانومتر است که خود موجب افزایش اثرات تصادفی فوتونی می‌شود.

یکی از چالش‌های بزرگ فناوری High-NA EUV، تاری الکترونی (Electron Blur) است که حداقل ۲ نانومتر تخمین زده می‌شود و می‌تواند مزایای فناوری High-NA EUV را تحت‌الشعاع قرار دهد.

استفاده از سایر طول موج‌ها

استفاده از سایر پرتوها با طول موج کمتر می‌تواند به افزایش وضوح سایه‌ی الگو کمک کند. پرتوی ایکس از نامزدهای مورد بررسی در آینده‌ی این فناوری است. در لیتوگرافی ایکس‌ری از روشی مشابه چاپ سایه‌ای استفاده می‌شود که در لیتوگرافی نوری نسل‌های پیشین دیده می‌شد. طول موج اشعه ایکس (بین ۰٫۴ تا ۵ نانومتر) کوتاه‌تر از طول موج نور فرابنفش بوده و به همین دلیل، اثرات پراش نور کاهش یافته و وضوح بالاتری حاصل می‌شود.

یکی از مزایای مهم لیتوگرافی ایکس‌ ری، بازدهی بالاتر در مقایسه با فناوری‌های موجود است، چرا که می‌توان از روش نوردهی موازی استفاده کرد. با این حال، به دلیل محدودیت منابع ایکس-ری و فاصله‌ی بین ماسک و ویفر، اثر نیم‌سایه‌ای القا شده، وضوح لبه‌های الگو را کاهش می‌دهد.

بهبود فناوری‌های جانبی لیتوگرافی

پژوهشگران علاوه‌بر سیستم‌های High-NA، به طور جدی بر بهبود فناوری منابع پرتوی EUV تمرکز کرده‌اند. تلاش‌ها در این حوزه شامل افزایش توان خروجی برای بهبود سرعت پردازش، توسعه‌ی روش‌های پایدار و قابل‌اعتمادتر برای تولید پلاسما در EUV و بررسی تکنیک‌های نوآورانه برای تولید نور EUV با کارایی بیشتر است. این پیشرفت‌ها نقش کلیدی در رفع چالش‌هایی دارند که تاکنون به دلیل محدودیت‌های توان و پایداری منبع نور EUV، مانع پذیرش گسترده آن شده‌اند.

یکی دیگر از حوزه‌های مهم تحقیق و توسعه، طراحی و ساخت لاک‌های نوری پیشرفته است که به طور ویژه برای لیتوگرافی EUV بهینه‌سازی شده‌اند. این مواد نقش حیاتی در دستیابی به دقت‌های فوق‌العاده ریز مورد نیاز برای گره‌های فناوری جدید دارند. دانشمندان در حال کار روی فوتورزیست‌هایی هستند که بتوانند در ابعاد کوچکتر، حساسیت بالا و ویژگی‌هایی نظیر حفظ وضوح لبه‌ها را بدون افت کیفیت حفظ کنند. این نوآوری‌ها، مسیر تولید تراشه‌های پیشرفته را هموارتر خواهند کرد.

صنعت نیمه‌هادی علاوه‌بر ارتقای فناوری EUV، به بررسی فناوری‌های مکمل برای گسترش توانایی‌های این روش پرداخته است. یکی از این فناوری‌ها، لیتوگرافی الکترون‌های چندپرتویی (Multi-beam Electron Lithography) است که برای برخی کاربردهای خاص مورد ارزیابی قرار گرفته است. همچنین، تکنیک‌های خودمونتاژی هدایت‌شده (Directed Self-Assembly) پتانسیل افزایش بیشتر دقت و کارایی لیتوگرافی EUV را دارند.

با بلوغ این فناوری‌ها، صنعت تراشه به طور پیوسته به سمت تحقق کامل ظرفیت‌های EUV حرکت می‌کند. این پیشرفت‌ها راه را برای تولید نسل جدیدی از تراشه‌های قدرتمندتر و کم‌مصرف‌تر هموار می‌کنند؛ تراشه‌هایی که به عنوان موتور محرکه‌ی نوآوری‌های فناوری آینده عمل خواهند کرد.

لیتوگرافی فرابنفش شدید (EUV) در خط مقدم تولید محصولات نیمه‌هادی قرار دارد و مرزهای ممکن در طراحی و ساخت تراشه‌ها را جابه‌جا کرده است. این فناوری پیشرفته، با استفاده از نوری با طول موج بسیار کوتاه (۱۳٫۵ نانومتر)، امکان تولید ترانزیستورها و الگوهای مداری با ابعاد بی‌سابقه‌ی ۳ نانومتر را فراهم کرده است.

توانایی خارق‌العاده‌ی EUV در غلبه بر محدودیت‌های پراش نور در روش‌های پیشین، کلید موفقیت آن است. این فناوری با بهره‌گیری از طول موج‌های کوتاه‌تر، وضوحی بی‌نظیر ایجاد می‌کند که زمانی دست‌نیافتنی به نظر می‌رسید. این دستاورد نه‌تنها ادامه‌ی قانون مور را تضمین می‌کند، بلکه پایه‌گذار نسل جدیدی از میکروالکترونیک است که به کوچک‌سازی، کاهش مصرف انرژی و افزایش عملکرد دستگاه‌ها کمک می‌کند.

هم‌زمان با حرکت صنعت تراشه به سوی گره‌های کوچک‌تر، مشکلاتی مانند اثرات تصادفی (استوکاستیک) و نقص‌های الگو، به نگرانی‌های اساسی تبدیل شده‌اند. برای غلبه بر این موانع، توسعه‌ی فناوری‌های جدید فتورزیست و پیشرفت در حوزه‌ی لیتوگرافی محاسباتی امری ضروری است تا دقت و کارایی سیستم‌های EUV بیشتر شود.

باوجود این چالش‌ها، پتانسیل لیتوگرافی EUV بسیار امیدوارکننده است. این فناوری امکان تولید تراشه‌هایی با تراکم بالاتر ترانزیستور را فراهم می‌آورد، که نتیجه‌ی آن بهبود چشمگیر عملکرد و بهره‌وری انرژی در دستگاه‌های الکترونیکی است.

با ادامه تحقیقات و پیشرفت‌های فناورانه، انتظار می‌رود بازده و پایداری سیستم‌های EUV به طور قابل‌توجهی افزایش یابد. این پیشرفت‌ها نه تنها طراحی تراشه‌های پیشرفته‌تر را ممکن می‌سازند، بلکه درهایی جدید به سوی کاربردهایی همچون هوش مصنوعی، رایانش کوانتومی و دیگر فناوری‌های پیشرو باز خواهند کرد.