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チッププリンターでAI革命を実現する ― 史上最も複雑な機械




半導体製造を学ぶ

工場を建てるためではない。
TSMCで働くためでもない。
ただ、人間の知性がどこまで到達したのかを目の当たりにするため。

フォトリソグラフィは、工学に偽装された純粋な魔法だ。
私たちは文字通りウイルスよりも小さなパターンを刻んでいる。光、鏡、ガス、プラズマ、そして数学を使って。
数十億ドルもする機械。それらすべては、原子を私たちが望む場所に正確に配置するため。

チップは単なるシリコンではない。
それは、精度、執念、そして人間の想像力が限界まで押し上げられた物語だ。

半導体の作り方を学ぶ。なぜなら、それは単なる技術ではなく、人間がすべてを理解しようと決めたときに何ができるかを示すラブレターだからだ。
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まさにその通り。私が撮ったお気に入りのショットのひとつです。


チッププリンターでAI革命を実現する ― 史上最も複雑な機械

[1/16] 🧵 ASMLのスキャナーの歴史

チッププリンターでAI革命を実現する ― 史上最も複雑な機械。




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[2/16] リスト
ここに、過去35年間に設置されたASMLの全スキャナーモデルのリストを掲載します。網羅的なリストではありません。いくつか見落としているものもあると思いますが、私が実際に使用したツール（ほとんどです）や友人から聞いたモデルに基づいてまとめたものです。極小フォントで表記していることからもわかるように、約50種類のツールモデルを網羅した膨大なリストです。このスレッドでは、この歴史と、世界中の最先端チップ工場に現在設置されている最新のEUVツールに至るまでの経緯について、さらに詳しく見ていきましょう。



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[3/16] スキャナープラットフォーム
長年にわたり開発されてきた様々な世代のリソグラフィーツールについて考えるとき、私たちはしばしば光源を思い浮かべます。一般的に、光源の波長が短いほど、印刷できる回路パターンは小さくなります。しかし、実際には、これはパズルの一部に過ぎません。スキャナーの真のROI（結局のところ、ファブはこれらの装置で利益を上げなければなりません）は、オーバーレイ仕様（列J-L）とスループット（列N/P）に集約されます。

オーバーレイとは、スキャナーが回路パターンをどれだけ正確に重ね合わせることができるかであり、チップの歩留まりにとって最も重要な要素であり、ファブの収益に直接影響します。スループットとは、装置が1時間あたりに処理できる露光回数です。露光回数が多いほど、装置のROI（Return On Investment、投資利益率）は向上します。最新のEUVモデルは1台あたり約4億ドルのコストがかかるため、各装置でより多くのウェーハ露光を行うことは、ファブの設備投資と生産量に直接影響します。

スキャナープラットフォームは、ツールの基本的な枠組みであり、その動作原理を成します。単一のプラットフォームには、光源やレンズといった様々なコンポーネントが含まれており、それらを組み合わせることでマシンの解像度を設定できます。しかし、オーバーレイとスループットの向上は、プラットフォームの種類とそれぞれのモデル反復によって実現されます。最終的には、プラットフォーム自体がこれらのマシンのROI向上を促進する最良の方法です。



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[4/16] スキャナプラットフォーム続編…
ASMLは長年にわたり5つのスキャナプラットフォームを開発してきました。各プラットフォームでは、オーバーレイとスループットの両方に反復的な改良が加えられ、ファブはリソグラフィ投資のROI（投資収益率）を向上させることができました。プラットフォームが新世代になるたびに、ROIは飛躍的に向上しました。

PAS 5500プラットフォーム：
このプラットフォームは1990年代初頭にASMLの名を馳せたきっかけとなり、現在も使用され、ASMLによって完全なサービスが提供されています。これはシングルウェーハステージシステム（後述）で、実際には2つのサブ世代に分かれていました。当初はチップ全体の画像を1ショットで露光するステッパーでしたが、その後、レチクル画像の薄いスライスを1つのダイ上でスキャンするスキャナーへと進化しました。スキャン型システムへの移行により、チップのダイサイズが大幅に大きくなり、「完璧」である必要のある部分が小さくなったため、レンズ収差も改善されました。



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[5/16] TWINSCAN XTプラットフォーム：
これは初のデュアルウェーハステージプラットフォームでした。光学系の構成にも大きな変更がありましたが、ROIに最も影響を与えたのはステージの追加でした。この変更がどれほど大きなものであったかを十分に理解するには、非常に高額な費用がかかったことを指摘しておく必要があります。ファブ内の様々な装置コンポーネントを考慮すると、最も高価な装置コンポーネントはALDチャンバーやエッチングチャンバーではなく、スキャナーレンズであり、次にスキャナーウェーハステージです。つまり、工場内の各スキャナーにさらにウェーハステージを追加することは、非常に高額な変更でした。しかし、なぜ彼らはそうしたのでしょうか？ROI



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[6/16] パターンアライメントとオーバーレイ：
これらはしばしば同じ意味で使われますが、リソグラフィの世界では大きく異なります。アライメントとは、スキャナがチップイメージを別のチップイメージの上に重ね合わせることです。オーバーレイとは、別の計測装置で事後に配置誤差を測定することで、スキャナの性能を示す指標となります。

これは、ウェーハが装置に挿入され、既存のパターンを見つけるために一連のアライメント測定が行われるという仕組みです。次に、光源とレンズを用いて、その上に新しいチップイメージを露光します。測定回数を増やすことで最終結果を大幅に改善できますが、ご想像のとおり、装置の動作速度が低下し、スループットが低下します。また、ステージが1つしかない場合、アライメント測定が行われている間、高価なレンズはアイドル状態になり、実質的に時間と費用の無駄になります。

ステージを追加することで、一方のステージで露光を行っている間に、もう一方のステージでアライメント測定を行うことができます。モジュールのコストは高かったものの、オーバーレイとスループットの両方が大幅に改善され、最終的にはツールの ROI も向上しました。



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[7/16] TWINSCAN NXTプラットフォーム：
NXTプラットフォームは、ウェーハステージの根本的な動作に大きな変化をもたらしました。以前の世代のステージでは、ステージは空気圧を利用して平らなバックプレーン上に吊り下げられていました。これは摩擦のない浮上状態であり、露光スキャン中に独立して移動します。NXTシステムでは、磁石を使用してステージを吊り下げます。ご想像のとおり、これにより、当社の共通プラットフォームテーマであるROI（投資収益率）の向上がさらに大きく向上します。ステージの加速と移動速度が大幅に向上し、スループットが向上するとともに、位置決め精度も向上します。



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[8/16] オーバーレイ vs. ステージ速度 ― 現代の驚異
ASMLのスキャナーは、モデルによって異なりますが、1時間あたり約200～300枚のウェーハを処理できます。開発中の最新KrFスキャナーでは、ASMLはこの処理能力をさらに向上させ、400wphまで引き上げる予定です。

- 250wphでは、14秒ごとにウェーハ全体を露光することになります。
- そして、個々のダイは約150ミリ秒でスキャンできます。

ここで印刷されているものを思い出してください。数十ナノメートル単位の回路形状で、各画像には数十億個の回路部品が含まれています。このようなスキャン速度で動作しながら、チップ全体にわたって1桁ナノメートル単位の精度でパターンが重ねて配置されていることに、私はいつも驚かされます。このステージシステム内には、毎秒2万回測定する数百個のセンサーが搭載されています。 ASML によれば、位置決め精度は 60 ピコメートルに近づいており、これはシリコン原子のサイズよりも小さいです。🤯

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[9/16] 液浸リソグラフィ
このスレッドの最後に、私の最終的な論点に関係するもう一つの技術的偉業について簡単に説明しておきたいと思います。最新のロジックチップとメモリチップは、液浸リソグラフィと呼ばれる新しいタイプのスキャナー技術に大きく依存しています。簡単に言うと、レンズとウェハの間の空気層を水に置き換えるのです。これによりレンズの仮想サイズが拡大し、解像度が向上します。

当時、ASMLがこの技術を開発していた頃、リソグラフィ業界の多くの人々はこれを突飛なことだと考え、このテーマに関するPowerPointプレゼンテーションには必ずサーフボードと巨大な波の画像が使われていました。私のASML製スキャナーのリストを見れば、一連のプロトタイプ、そして最終製品が実現される前のベータ版ツール（1700i）が確認できます。

これは、レンズがウェハ上をスキャンする際に水膜を浮かせておかなければならないという点で、もう一つの現代の驚異と言えるでしょう。この動く水膜には、泡が一つも入ってはなりません。ウエハ上に液滴が一つも残ってはならず、そうしないとパターンに跡が残ってしまいます。これらはすべて、ステージが猛スピードで回転しながら行われなければなりません。



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[10/16] EUV時代
DUVプラットフォームと、ASMLが35年間かけてその商業的実現可能性を高めるために取り組んできたことについては既に説明しました。しかし、2つのEUVプラットフォームについて見ていくと、開発作業が単純に思えてしまうような新たな技術的課題が浮上します。

DUVプラットフォームは、解像度を向上させる新しい光源やレンズの種類ごとに、共通の基盤技術を流用できましたが、EUVシステムは全く異なる方法で動作します。つまり、ASMLはプラットフォーム自体だけでなく、すべてのサブコンポーネントを新たに開発する必要がありました。

ここでは、従来のすべてのDUVシステムと新しいEUVツールの5つの主要な違いをまとめます。これらのシステムはいずれも、実用化に近づくまでに、数十年にわたる研究開発と段階的な改良を要しました。



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[11/16] EUV開発タイムライン
EUVリソグラフィは、これまでのリソグラフィ技術の中で最も複雑で野心的な取り組みです。おそらく、商業規模で製造された装置の中で最も複雑なものと言えるでしょう。開発は1980年代半ばに始まり、現在も続いています。ASMLは単独でこれを成し遂げたわけではありません。世界中の30を超える組織による数十年にわたる取り組みから大きな恩恵を受けています。



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[12/16] 製品ウェーハの露出が学習を促進
ASMLのスキャナーモデルのリストをもう一度見てみましょう。ツールの種類については列Cをご覧ください。ご覧のとおり、これらのツールモデルの大部分は、現在では1枚あたり2万ドルにも及ぶ製品ウェーハを製造工場で稼働させているHVM（高仮想マシン）マシンでした。

プロトタイプツールは、新しいサブコンポーネントの基礎研究開発を行える最初のシステムです。多くの場合、これらは初期の液浸装置やEUV装置であり、プロセスの動作方法を大きく変える必要がありました。ベータツールはHVMツールの前身ですが、まだ商業的に実現可能ではなく、工場が十分な投資対効果（ROI）を得られるレベルには達していません。しかし、これらのベータシステムでは、完全に統合されたテストロットを実行し、電気データ、そしてさらに重要なことに、HVMに向けてマシンを準備するための大量のオーバーレイデータを取得できます。

そして、真の魔法が起こるHVMシステムがあります。金はファブで稼ぐ。ASMLがROI改善の各イテレーションを進めるにつれ、これを実現するためには、各ツールモデルで何百万枚ものウェーハを処理する必要があった。実際の製品から膨大なデータを収集し、評価することで、次期モデルでオーバーレイとスループットの両方を向上させるためにどのような調整が必要かを把握する。

したがって、この学習プロセスはASMLの工場内でのみ行われるわけではない。ファブは数百万枚のウェーハを処理するために数十億ドルもの投資を行う必要がある。この方法によってのみ、ASMLは少しずつ前進し、速度を維持または向上させながら、オーバーレイ性能をナノメートル単位まで向上させることができる。これこそが、リソグラフィを他のユニットプロセスと真に差別化する点である。



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[13/16] リソグラフィーは勝者総取り。
スキャナ企業の墓場は満杯だ。これは、他社が自社の事業で失敗している理由、つまり製品投入の失敗、スケジュールの遅延、規模の経済性の欠如などによるものだと考える人もいるかもしれない。しかし、ここでもリソグラフィーは事情が異なる。その理由はハードウェアのマッチングにある。つまり、1種類のスキャナベンダーとそのマッチングステージのみを運用することで、歩留まりとROIのメリットが得られるのだ。

オーバーレイの精度は極限に達し、サブナノメートルスケールに達する。このレベルでは、各ウェーハチャックのオーバーレイシグネチャは目に見えて異なる。実際、スキャナのオーバーレイを評価する一般的な方法は、シングルマシンオーバーレイ（SMO）と呼ばれるものだ。このテストでは、1つのスキャナで1つのチャックにウェーハを露光し、パターンをエッチングする。次に、全く同じチャックとスキャナでウェーハを露光し、装置の究極のオーバーレイ性能を確認する。こうしてハードウェアシグネチャは除去される。

しかし、工場はロジスティクス上の理由から、そのような運用はできない。そこで現実的な測定法は、マッチマシンオーバーレイです。この方法では、複数のスキャナーを互いにマッチングさせ、異なるハードウェアシグネチャを消去する補正アルゴリズムを適用します。では、2つの異なるスキャナーベンダーを使用した場合にどうなるか考えてみましょう。オーバーレイのペナルティが発生し、最終的には歩留まりとROIが低下します。

実際、ニコンの液浸スキャナーはASMLのスキャナーと同等の性能を備えています。ファブは、ASMLと競合するためにニコン製のスキャナーを自社のファブに多数導入し、両ベンダーに価格圧力をかけたいと考えています。ファブが最も望まないのはベンダー独占です。しかし残念ながら、現実はそうではありません。これが、ニコンが毎年ASMLに市場シェアを奪われている理由です。勝者総取りの構図です。



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[14/16] 半導体戦争
先端リソグラフィーツールは半導体戦争の核心です。実際、最初の攻撃はASMLのEUVスキャナーの中国への輸出禁止でした。これに続き、ASMLとニコン両社が製造する最先端のDUV液浸システムに対する2つの輸出禁止措置が続きました。

この反応は予想通りで、即座に現れました。中国の中小企業数社がスキャナー製造事業に参入し、禁止されたシステムに代わるツールを製造するだろうと予想されました。これが実現するまでにどれくらいの時間がかかるのか、多くの憶測が飛び交いました。

私が目にした議論のほとんどは、電気自動車や航空宇宙など、他の産業における中国の大きな成功を軸に展開されています。いずれも非常に厳しいスケジュールの中で、非常に印象的な成果を上げています。しかし、これらの装置の開発には、スケジュールに影響を与える全く異なる一連の要因が存在します。それぞれが大きく異なります。

ある分野での急速な進歩が、必ずしも別の分野での成功につながるとは考えていません。リソグラフィシステムの開発が、人類がこれまでに作った中で最も先進的なツールへと一気に飛躍できるとは考えていません。ASMLが行ったのと非常によく似た学習プロセスが必要だと思います。私のツールモデルリストからわかるように、プロトタイプの研究開発と並行して、HVM（大量生産）で約50回の反復作業が必要でした。



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[15/16] では、どれくらいかかるのでしょうか？

2035年
NXT:2000i 相当の仕様

2045年
NXE:3800E 相当の仕様

- このリストを見て、少なくとも20回のイテレーションと毎年の新機種の導入が必要ないと言えるでしょうか？
- 新機種ごとに何枚のウェーハを処理すればよいのでしょうか？
- これらのファブのほとんどが既にASML製スキャナをフル稼働させている中で、ハードウェアマッチングのジレンマをどう克服するのでしょうか？
- 歩留まりの低下を負担するのはどのファブでしょうか？
- 商業的に実現可能な装置でROI（投資収益率）を実証しているASMLとNikonとどのように競争するのでしょうか？（すべての液浸スキャナがブロックされているわけではありません）

疑問が山積みです。
- 「科学」の部分は当然のことです。ASMLが30年を要したEUV開発のタイムラインは、明らかにその数分の一に短縮される必要があります。
- 「徹底的にエンジニアリングする」という部分はあまりにも明白なので無関係です。



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[16/16] オーバーレイ = 3メートル

[終了]



中国が独自のフォトリソグラフィー装置を作って独自のチップを製造することを妨げているものは何か？

単純に言えば、それは非常に難しいからです。中国には世界でもトップクラスの優秀な頭脳がこの問題に取り組んでいますが、それでも本当に難しいのです。

引用されたスレッドを参照してください。ある中国人エンジニアがASMLのDUV（深紫外線）リソグラフィー装置を分解して研究しようとしたが、元に戻せず、ASMLに修理を依頼したという話があります。

🔧 193nm液浸露光技術は容赦ない

液浸DUVスキャナーは、193nmの光を薄い水の層を通して照射し、300mmウェハ全体でオーバーレイを厳密に保つためにデュアルステージメカニクスでウェハをスキャンします。このシステム全体は、工場の手順、内部基準、ステージ、光学系、センサーのクローズドループチューニングに依存しています。ASMLの公開製品ノートには、投影光学系とセンサーを単一の基準点に結びつけるメトロロジーフレームなど、プラットフォームにどれだけの精度が組み込まれているかが示されています。

装置を分解すると、ZEISS投影光学系への粒子衝突、干渉計のオフセット、基準点の喪失のリスクがあり、元に戻すにはベンダーの手順とサービスライセンスの背後にあるソフトウェアキーが必要です。

ASMLのライバルに最も近いのは日本のキヤノンとニコンですが、彼らは最先端の高性能分野をほぼASMLに譲っています。


https://www.ark-t.com/uv-irradiation-device/column/826/

🏭 中国のプランB：DUVを最大限に活用し、国産ツールを立ち上げる

中国のファウンドリ企業SMICは、28nmをターゲットにし、マルチパターニングで7nmを目指すYuliangsheng製の国産液浸DUVを試用しています。報道では、2027年頃にファブでの広範な使用が見込まれ、パフォーマンスは古いASMLの装置に近いとされていますが、チューニングと歩留まりの向上には時間がかかるでしょう。

中国は最終的に追いつく可能性があります。しかし、EUV技術の完成には、米国とオランダ政府からの数十億ドルの直接的な財政支援が必要でした。日本の例を挙げると、2000年代にEUV製造でオランダと競争していましたが、米国からの十分な一貫した資金提供が得られず、最終的に失敗しました。当時、日本はフォトリソグラフィーの世界リーダーだったのです。

EUV（極端紫外線）は、光の波長そのものに関しては、フォトリソグラフィーの物理的限界にかなり近いものです。段階的な改善は見られるでしょうが、DUVからEUVへのような大きな飛躍はもう見られない可能性が高いです。しかし、誰にもわかりません。1980年代にフォトリソグラフィー用EUVを最初に調査したとき、それが可能だとは思っていませんでした。

🚫 この行動を駆り立てる輸出規制

オランダは2024年1月1日から、NXT:2050iおよびNXT:2100iの中国への出荷ライセンスを取り消しました。

2024年9月には、オランダがさらに規制を強化し、NXT:1970iおよびNXT:1980iの出荷にもオランダのライセンスが必要となり、NXT:2000i以降はすでにオランダの管理下にあります。
サービス提供も制限されており、中国向けの特定のツールのスペアパーツやソフトウェアアップデートにはオランダのライセンスが必要です。



このチャートは、グローバルな半導体業界がどのように分業されているかを正確に示しており、非常に興味深いものです。米国は頭脳の部分を完全に支配しており、グローバルなチップ設計の半分以上と、EDAおよびIPの約70％を所有しています。Nvidia、AMD、Intel、Cadence、Synopsysなどの企業は、チップの製造方法に関するルールブックを事実上書いています。これにより、米国はイノベーション、防衛、グローバル貿易において大きな影響力を持っています。

日本とEUは、不可欠な装置と材料を掌握しています。日本だけで、グローバルなツールの18％、材料の12％を供給しています。派手ではありませんが、これらがなければ、半導体産業全体が停止してしまいます。

そして、アジアが生産の現場を担っています。中国は組み立て、テスト、パッケージングでリードしつつ、製造にも深く進出しています。台湾（TSMC）と韓国（Samsung）は、世界の先進的なチップ製造のほとんどを担っています。両者はグローバルな供給の心臓部であり、緊張が高まれば最大のリスクでもあります。

しかし、このサプライチェーンには多くのボトルネックがあります。米国とEUが技術を所有し、装置は依然として一握りの欧米や日本の企業から供給されています。そのため、中国はNauraやSMEEなどの国産ツールに数十億ドルを投じていますが、まだ大きく遅れています。




Nvidia $NVDA と台湾セミコンダクター $TSM が、アメリカ合衆国 🇺🇸 で製造された初のブラックウェルチップウェハを発表しました - Axios
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$TSMが$NVDAを6ヶ月で上回る：+99.7%対+89.1% 📊
パートナーシップが両社に大金を生み出している。
$TSMは先月9.9%上昇、NVDAは4.0%上昇。
アリゾナの工場が今賢い選択に見える 🇺🇸🏭


ジェンセンは、10年末までに約3兆ドルから4兆ドルのAIインフラ支出があると述べ、これは非常に強気な見通しです。NVDAは最近、このスライドをプレゼンテーションに追加しました。

世界のトップ10の最大の株式は、現在合計で2540億ドルの価値があり、先週の2480億ドルから上昇しています。



この男は文字通り、どの産業が最初にAIに置き換えられるかを漏らした。