Степпер ASML: ключевое звено в производстве микросхем. На нём производится засветка фоторезиста через маску, как в фотоувеличителе. Стоимость прибора около $170 млн
У всех на слуху компании Intel, Samsung и TSMC — три крупнейших в мире производителя микросхем (последняя выполняет заказы для Apple и AMD).
Однако мало кто слышал об ASML — скромной компании в пригороде Эйндховена, пятого по величине города Нидерландов. Но если посмотреть, эта фирма играет ключевую роль в микроэлектронной промышленности. Это единственный в мире производитель степперов для фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV), пишет издание The Economist.
ASML — не единственный производитель фотолитографических машин, которые используют свет для травления интегральных схем на кремниевых пластинах. Здесь компания конкурирует с японскими Canon и Nikon. Но с 2005 года доля голландской фирмы на рынке выросла почти вдвое, до 62%. Только у неё есть оборудование для фотолитографии в глубоком ультрафиолете с длиной волны 13,5 нанометров.
Например, в 2019 году компания Samsung объявила о выпуске Exynos 9825 SoC (7 нм) на оборудовании EUV-диапазона. Это была одна из первых микросхем в мире, которая производилась по новому техпроцессу. На фабрике Samsung тоже работают степперы ASML.
Более короткие длины волн позволяют травить более мелкие компоненты — это жизненно важно для производителей микросхем, которые стремятся увеличивать количество транзисторов на чипе в соответствии с законом Мура. Он утверждает, что количество компонентов на конкретной площади удваивается примерно каждые два года.
Интересно, что эксперты неоднократно предсказывали «смерть» закона Мура из-за физических ограничений на размер транзисторов. Например, вот статья 1999 года из The New York Times, где говорится о серьёзных препятствиях для преодоления рубежа в 100 нм (для справки, TSMC и AMD уже освоили техпроцесс 7 нм). Статья ссылается на слова исследователя Intel Пола Пэкана (Paul Packan), который высказал своё мнение на страницах научного журнала Science:
Фотолитография в глубоком ультрафиолете — передовая технология, которая продлила жизнь закону Мура. Первые экспериментальные установки совмещения и экспонирования (степперы) для EUVL были созданы в 2000 году в Ливерморской национальной лаборатории, но создание коммерчески доступного оборудования заняло почти 20 лет, потому что инженерам пришлось решать ряд трудных технических задач, связанных с высокой плотностью энергии пучка EUV-излучения, которая в десять раз выше, чем у луча 193-нм лазера (фотолитография предыдущего поколения).
Представители Samsung рассказывали, что из-за этого чрезвычайно трудно эффективно протравить тончайшие дорожки после обработки пластины. На таком размере элементов возникают сложности с депонированием добавок в предельно узкие канавки цепей в кристаллах.
Эти проблемы решают инженеры компании ASML, которая предлагает своим клиентам несколько моделей EUV-степперов и сканеров.
Установка для фотолитографии в глубоком ультрафиолете ASML Twinscan NXE:3400B поддерживает травление элементов размером 7 и 5 нм в промышленном масштабе (125 и более пластин в час)
Степпер — основное оборудование, которое используется при изготовлении полупроводниковых интегральных схем. В процессе работы степпера рисунок с маски многократно переводится в рисунок на различных частях полупроводниковой пластины. Своё название степпер получил из-за того, что каждое экспонирование производится небольшими прямоугольными участками (порядка нескольких квадратных сантиметров); для экспонирования всей пластины её передвигают шагами, кратными размеру экспонируемой области (процесс step-and-repeat). После каждого передвижения проводится дополнительная проверка правильности позиционирования.
Современные литографические установки могут использовать не шаговый, а сканирующий режим работы; они называются «сканеры» (step-and-scan). При экспонировании передвигаются в противоположных направлениях и пластина и маска. В предыдущем поколении сканеров скорость сканирования масок составляла до 2000 мм/с, пластины — до 500 мм/с.
Концепция step-and-scan
Три ведущих мировых производителя чипов — Intel, Samsung и TSMC — стали зависимы от продукции ASML настолько же, насколько остальная технологическая индустрия зависит от их собственной продукции, пишет The Economist.
Результаты деятельности ASML отражают эту возросшую зависимость. Её выручка в 2019 году выросла на 8%, до €11,8 млрд, несмотря на временный спад в полупроводниковой индустрии. Поставки оборудования для фотолитографии в глубоком ультрафиолете составили 26 из 229 машин, проданных в 2019 году, но принесли треть выручки. Фирма ожидает, что к 2025 году этот показатель вырастет до 75%, поскольку другие производители чипов модернизируют свои фабрики и тоже устанавливают оборудование для EUV-фотолитографии.
Поскольку у конкурентов Canon и Nikon пока отсутствуют технологии EUV, инвесторы пришли к выводу, что ASML какое-то время сможет извлекать прибыль от своей монополии. С 2010 года её рыночная капитализация выросла в десять раз, достигнув около €114 млрд. Только за последний год она увеличилась почти вдвое. Сегодня ASML стоит больше, чем Airbus, Siemens или Volkswagen.
Капитализация некоторых европейских компаний. Источник: данные Refinitiv, The Economist
Стоимость акций скорректировалась вместе со всеми из-за COVID-19, но инвесторы высоко оценивают её долгосрочные перспективы: акции торгуются с впечатляющим 32-кратным отношением цены к прибыли (P/E), что в два или более раза превышает показатели крупнейших клиентов.
Времена не всегда были такими хорошими. Фирма начала свою деятельность в 1984 году как совместное предприятие Philips, голландского гиганта электроники, и ASM International, производителя полупроводникового оборудования. Поначалу она занимала несколько деревянных строений в эйндховенском кампусе Philips. Технический директор ASML Джос Беншоп (Jos Benschop) откровенно рассказывает о ранних проблемах. Первые продукты были выпущены на устаревшей платформе, и фирма изо всех сил пыталась найти клиентов. Она держалась на плаву только благодаря помощи со стороны Philips, которая и сама столкнулась с финансовыми трудностями, субсидиям от голландского правительства и Европейского экономического сообщества (предшественник Евросоюза).
В 1995 году компания разместила акции в Нью-Йорке и Амстердаме. Вскоре после этого фирма сделала ставку на фотолитографию в глубоком ультрафиолете, в которой она увидела будущее производства микросхем. Крупным производителям пообещали поставку первых степперов EUV примерно к 2007 году. Но их ждало разочарование — и не раз. Компания обнаружила, что с глубоким ультрафиолетом очень трудно работать. Решение проблем заняло гораздо больше времени, чем ожидалось. Первые опытные образцы машин фирмы были отправлены в IMEC, научно-исследовательский институт в Бельгии, в 2006 году. Коммерческие клиенты начали использовать технологию только в 2018 году.
Степперы для фотолитографии предыдущего поколения напрямую использовали лазеры. Но с уменьшением длины волны всё становится сложнее.
Иллюстрация: ASML
Внутри самой современной EUV-машины каждую секунду 50 000 капель расплавленного олова падают через камеру в её основании. Пара высокоэнергетических лазеров на углекислом газе ударяет по каждой капле, создавая плазму, которая, в свою очередь, испускает свет нужной длины волны. Первый импульс преобразует каплю олова в туманную форму блина, так что второй импульс, который является более мощным и следует за ним всего через 3 микросекунды, взрывает олово в плазму, которая светится на длине волны 13,5 нанометров, как показано на видео.
Затем свет собирается, фокусируется и отражается от узорчатой маски, чтобы проецировать узор на кремниевую пластину.
Свет направляют зеркала, сделанные из слоёв кремния и молибдена, которые отшлифованы настолько точно, что, если их масштабировать до размера Германии, то на поверхности не будет выпуклостей больше миллиметра. Поскольку глубокий ультрафиолет поглощается почти любым веществом, включая воздух, процесс происходит в вакууме.
Вакуумная камера, в которой происходит засветка фоторезиста
Весь маршрут световых импульсов от источника (справа внизу) к прибору подсветки, затем к маске с топологией кристалла (вверху) — и через проекционную оптику (слева посередине) на кремниевую пластину (внизу посередине)
Машины весом 180 тонн и размером с двухэтажный автобус сами по себе являются свидетельством сложной логистики в электронной промышленности. Компоненты для этих машин производят около 5000 поставщиков. Немецкая оптическая фирма Carl Zeiss производит линзы. Голландская VDL производит роботизированные манипуляторы, которые подают пластины в машину. Источники света изготовляет Cymer, американская компания, купленная ASML в 2013 году. В свою очередь, ASML является одной из сотен фирм, которые поставляют оборудование для производителей микросхем, таких как Intel, Samsung и TSMC.
Признание доминирующего положения ASML не ограничивается только клиентами или инвесторами. Политики тоже осведомлены о ситуации. Фотолитография в глубоком ультрафиолете входит в Вассенаарский список технологий двойного назначения, имеющих как военное, так и гражданское применение.
Выдержка из Вассенаарского списка технологий двойного назначения, версия за декабрь 2019 года (pdf)
Например, Китай стремится развивать собственные передовые фирмы по производству чипов, а США пытаются этому помешать. В 2018 году ASML получила заказ на поставку сканера EUV от компании Huawei, чьи заводы в настоящее время отстают от современного уровня на пару поколений. Под давлением США голландское правительство до сих пор не предоставило ASML экспортную лицензию.
ASML не хотелось бы отказываться от доступа к китайскому рынку, потому что в долгосрочной перспективе это может поставить под угрозу доминирование компании в своём секторе. Но Китай нуждается в ASML ещё больше, чем она в нём. Из всего оборудования, необходимого для передовой фабрики по производству микроэлектроники, которую хотят построить власти, «технология ASML является самой трудной для воспроизведения», говорит Пьер Феррагу (Pierre Ferragu), технологический аналитик New Street Research. Другой аналитик Малкольм Пенн (Malcolm Penn) из Future Horizons считает, что китайскому конкуренту потребуется десятилетие или больше, чтобы воспроизвести фотолитографию в глубоком ультрафиолете, а к тому времени технологический фронтир снова двинется вперёд.
Голландцы уже работают над новым поколением машин EUV серии 5000 с лучшей оптикой, которые смогут обрабатывать больше кремниевых пластин в час. Их должны выпустить в 2023 году. В новых машинах используются более мощные лазеры, а частота падения капель олова увеличена с 50 000 до 80 000 Гц.
