ASML High-NA EUV: Ketika manufaktur chip terasa seperti sihir

Ada teknologi yang suatu saat menjadi begitu normal sampai kita hampir lupa betapa absurdnya teknologi itu sebenarnya.

SpaceX sekarang rata-rata mengirim roket ke orbit kira-kira setiap dua sampai dua setengah hari. Internet dari luar angkasa bukan lagi fiksi ilmiah, melainkan produk dengan aplikasi, router, dan langganan bulanan. Kita membawa superkomputer di saku, streaming video di kereta, membayar tanpa kontak, menelepon lewat jaringan IP, dan berharap semuanya berjalan begitu saja.

Pada banyak teknologi seperti itu, saya setidaknya masih bisa membayangkan apa yang terjadi di intinya. Saya mengerti cara kerja routing, mengapa kabel bawah laut adalah tulang punggung Internet yang sebenarnya, dan bagaimana TCP, DNS, BGP, fiber optic, link satelit, dan firewall saling bekerja sama. Bahkan pada roket dan mesin pendorong, dengan cukup video, gambar potongan, dan fisika, saya masih bisa membangun gambaran di kepala. Bukan di level insinyur, tapi cukup agar tidak terasa sepenuhnya mistis.

Pada manufaktur chip modern, rasanya berbeda.

Tentu saya tahu secara kasar bahwa chip dibuat dari silikon, bahwa transistor makin kecil, bahwa wafer diekspos, diukir, dan dilapisi. Tetapi begitu kita benar-benar masuk ke skala litografi modern, pemahaman saya mulai runtuh. Kita tidak lagi bicara tentang “kecil”, melainkan tentang struktur yang begitu jauh di bawah bayangan normal saya sampai semuanya kembali terasa seperti sihir.

Lalu ada mesin dari ASML ini: High-NA EUV. Sebuah sistem dengan harga lebih dari 400 juta dolar. Lebih besar dari bus tingkat. Begitu kompleks sampai ia bepergian keliling dunia dalam modul-modul, dirakit kembali di lokasi pelanggan, dan hanya bisa bekerja di lingkungan paling bersih yang dapat dibangun manusia. Sebuah mesin yang menembak tetesan kecil timah cair puluhan ribu kali per detik dengan laser, menghasilkan cahaya ultraviolet ekstrem, lalu memakai cahaya itu untuk mencetak pola pada wafer yang nantinya menjadi CPU, GPU, akselerator AI, dan chip smartphone.

Ada satu pemikiran: hal yang tidak kita pahami akan terasa seperti sihir. Begitulah litografi EUV terasa bagi saya. Tetapi bagian menariknya adalah ini: ketika kita mulai memahaminya, ia tidak menjadi kurang ajaib. Ia justru terasa lebih gila lagi.

Gambar ini, bagi saya, menjelaskan dengan baik mengapa mesin ini begitu menarik: di dalamnya ia terlihat seperti potongan masa depan yang dibuka, sementara di tempat pelanggan nantinya ia lebih tampak seperti kotak industri putih besar di dalam fab.

Beberapa angka yang perlu dibaca dua kali

Sebelum masuk ke fisikanya, ada baiknya melihat skalanya sebentar. Bukan karena angka besar otomatis berarti teknologi yang baik, tetapi karena tanpa angka ini mesin tersebut terlalu abstrak.

Mesin High-NA EUV tidak sekadar dikirim. Ia dibangun di ASML, dikualifikasi, dibongkar lagi, lalu diangkut ke pelanggan dalam modul-modul. Di baliknya ada, tergantung cara menghitungnya, sekitar 800 sampai 5.000 pemasok. Subsistem besar dibuat di beberapa negara, bertemu di Veldhoven, lalu setelah itu melanjutkan perjalanan ke fab: kira-kira 250 kontainer, 25 sampai 30 truk, dan tujuh Boeing 747 untuk satu mesin saja.

Ditambah lagi sekitar 100.000 komponen individual, sekitar 40.000 sekrup, kira-kira 3.000 kabel, dan lebih dari dua kilometer jalur kabel atau selang. Untuk koneksi di sisi pelanggan, dibutuhkan lebih dari 2.000 sambungan listrik. Ini bukan lagi “sebuah perangkat”. Ini adalah ekosistem industri kecil yang kebetulan punya satu tugas: mengendalikan cahaya dengan begitu presisi sampai dari situ lahir chip modern.

Manufakturnya sendiri juga tidak terdengar seperti teknik mesin biasa. Di pabrik EUV, sekitar 2.000 orang bekerja 24/7. Satu mesin High-NA membutuhkan kira-kira satu setengah tahun sampai selesai dibangun, diuji, dan dikualifikasi. Dan bahkan setelah itu, ia belum “selesai” dalam arti sebuah produk yang bisa langsung diletakkan di atas palet. Ia dibongkar lagi dan baru kemudian berangkat ke fab.

Lingkungannya saja sudah ekstrem. Cleanroom ASML digambarkan memiliki maksimal sekitar 10 partikel per meter kubik pada ukuran 0,1 mikrometer. Sebagai perbandingan, ruang operasi yang sangat bersih berada di kisaran 10.000 partikel per meter kubik. Dan kita bicara tentang partikel yang jauh lebih kecil daripada serbuk sari atau debu halus.

Di bagian dalam, semuanya menjadi lebih gila lagi. Mesin menembak tetesan timah mungil yang kira-kira sebesar sel darah. Untuk itu, laser CO2 diperkuat melalui beberapa amplifier hingga sekitar 20.000 watt. Tetesan ini ditembak puluhan ribu kali per detik. Pada sumber yang lebih baru, ada tiga pulsa laser per tetesan: pertama membentuknya, lalu menipiskannya, lalu sepenuhnya mengubahnya menjadi plasma. Pada 50.000 tetesan per detik, secara mental itu berarti 150.000 tembakan laser presisi per detik. Dan idenya bukan untuk mengenainya “sebagian besar waktu”. Sistem harus melakukan tembakan ini secara andal pada skala industri.

Gerakan di dalam scanner juga absurd. Reticle, yaitu mask dengan pola chip, tidak digeser dengan santai. Akselerasinya berada di lebih dari 20 g; untuk platform EXE, ASML bahkan menyebut 32 g untuk reticle stage. Itu kira-kira setara dengan mobil balap yang melaju dari 0 ke 100 km/jam dalam 0,09 detik. Pada saat yang sama, penumpukan lapisan chip harus tetap akurat pada skala nanometer.

Lalu ada gambaran yang sulit saya keluarkan dari kepala: bayangkan ada laser kecil di sisi sebuah cermin. Sinarnya menuju Bulan. Di sana ada sebuah koin. Kontrol cermin begitu halus sehingga kita bukan hanya bisa menembak “koinnya” secara kasar, melainkan bisa memutuskan apakah sinar mendarat di sisi koin yang satu atau sisi yang lain. Kira-kira di skala inilah kontrol sudutnya bergerak, yaitu di wilayah pikoradian. Tentu perbandingan seperti ini adalah penyederhanaan. Tetapi ia membantu kita merasakan presisinya. Kita tidak bicara tentang “sangat akurat” dalam arti teknik mesin biasa. Kita bicara tentang sistem industri tempat pergeseran beberapa atom saja sudah relevan.

Apa yang sebenarnya dibangun ASML

ASML tidak membuat chip. Ini penting. ASML membuat mesin yang dipakai perusahaan seperti TSMC, Samsung, Intel, SK hynix, Micron, dan lainnya untuk membawa pola paling halus ke wafer silikon.

TSMC adalah Taiwan Semiconductor Manufacturing Company. Banyak orang mengenal Apple, Nvidia, AMD, atau Qualcomm sebagai merek chip. TSMC sering kali adalah pabrik di baliknya: foundry kontrak yang mengubah desain tersebut menjadi chip sungguhan.

Pada dasarnya, chip modern adalah kota buatan dari sakelar listrik: kota komputasi berukuran nanometer dengan banyak lapisan dan ratusan kilometer jalur penghantar. Di bagian paling bawah ada miliaran transistor. Di atasnya ada lapisan jalur, isolator, kontak, dan struktur mungil yang menghubungkan semuanya. Sebagian chip memiliki hingga sekitar 100 lapisan, dan setiap lapisan harus pas secara ekstrem terhadap lapisan sebelumnya. Jika dua lapisan bergeser sedikit saja terhadap satu sama lain, chip itu bukan sekadar “sedikit lebih buruk”, melainkan berpotensi menjadi barang gagal.

Teknik pusatnya disebut fotolitografi. Sangat disederhanakan, satu siklus berjalan seperti ini:

1. Material diaplikasikan ke wafer silikon.
2. Di atasnya ditambahkan lapisan peka cahaya, yaitu photoresist.
3. Mesin litografi memproyeksikan pola ke lapisan tersebut.
4. Area yang terkena cahaya mengubah sifat kimianya.
5. Setelah itu dilakukan development, etching, pelapisan, atau doping.
6. Proses ini diulang untuk lapisan berikutnya.

Kedengarannya hampir biasa saja: kita mengambil cahaya, sebuah mask, dan permukaan peka cahaya. Pada prinsipnya ini fotografi. Hanya saja foto di akhirnya bukan gambar, melainkan bagian dari prosesor. Dan “pikselnya” berada pada skala tempat debu, panas, getaran, molekul udara, efek samping kimia, dan kesalahan optik paling kecil menjadi lawan sungguhan.

Mesin ASML adalah sistem proyeksi. Cahaya membawa pola dari sebuah mask, yang juga disebut reticle, melalui optik ke wafer. Optik mengecilkan dan memfokuskan pola tersebut. Setelah itu mesin menggerakkan wafer dan mengekspos area berikutnya.

Jadi pertanyaan sebenarnya adalah: seberapa kecil kita bisa mencetak dengan cahaya?

Masalahnya: pada titik tertentu cahaya terlalu kasar

Dalam litografi ada dua tuas besar: panjang gelombang cahaya dan numerical aperture optik. Panjang gelombang yang lebih pendek membantu mencetak struktur yang lebih kecil. Numerical aperture yang lebih besar berarti optik dapat mengumpulkan dan memfokuskan cahaya dari rentang sudut yang lebih besar. Itu juga meningkatkan resolusi.

Selama lama sekali, industri bisa berjalan sangat jauh dengan litografi DUV. DUV berarti Deep Ultraviolet. Cahaya argon fluorida dengan panjang gelombang 193 nanometer menjadi sangat penting. Selama bertahun-tahun, itu adalah teknologi pekerja keras untuk chip canggih. Dengan trik seperti immersion lithography, mask yang lebih baik, computational lithography, dan multi-patterning, industri bisa memeras lebih banyak dari teknik ini daripada yang rasanya masuk akal.

Tetapi pada akhirnya cahaya memang terlalu panjang gelombangnya untuk hal yang ingin dicetak. Ketika struktur mendekati panjang gelombang, cahaya membelok, interferensi menjadi sangat menentukan, dan pola pada mask bukan lagi pola yang mendarat dengan bersih di wafer.

Hal ini bisa dikompensasi sebagian dengan software, koreksi mask, dan exposure berulang. Itulah yang dilakukan industri selama bertahun-tahun. Tetapi multi-patterning mahal, lambat, dan rawan kesalahan. Ketika satu lapisan kritis berubah menjadi dua, tiga, atau empat langkah exposure, waktu proses, biaya mask, dan risiko meningkat. Setiap langkah tambahan adalah kesempatan lain untuk kehilangan yield.

Jadi industri membutuhkan cahaya yang lebih pendek.

EUV, Extreme Ultraviolet, bekerja pada 13,5 nanometer. Itu lebih dari 14 kali lebih pendek daripada DUV 193 nm, kira-kira selebar lima untai DNA yang diletakkan berdampingan. Secara teori, ini kembali memungkinkan pencetakan struktur yang jauh lebih halus. Dalam praktiknya, dari sini dimulai daftar panjang masalah yang terdengar begitu absurd sampai kita paham mengapa banyak orang selama puluhan tahun menganggap EUV tidak realistis.

Cahaya 13,5 nm diserap oleh hampir semuanya. Oleh udara. Oleh kaca. Oleh lensa biasa. Oleh cermin biasa. Kita tidak bisa begitu saja mengirimnya melalui optik yang indah. Seluruh sistem harus bekerja dalam vakum, dan alih-alih lensa, kita membutuhkan cermin yang sangat khusus.

Dengan kata lain: untuk membangun chip yang lebih kecil, industri harus menciptakan sumber cahaya yang secara praktis tidak ada di Bumi, membangun optik yang lebih halus daripada apa pun yang pernah disentuh manusia biasa, lalu membuat semuanya cukup stabil untuk menghasilkan uang 24/7 di sebuah pabrik.

Itulah taruhannya.

Taruhan panjang pada EUV

Ceritanya tidak dimulai dengan High-NA, melainkan dengan pertanyaan apakah litografi dengan radiasi sependek itu sama sekali mungkin dilakukan.

Pada 1980-an, peneliti Jepang Hiroo Kinoshita mengerjakan gagasan mencetak struktur dengan radiasi berpanjang gelombang sangat pendek. Masalahnya langsung jelas: cahaya seperti itu tidak bisa dipandu dengan lensa klasik. Ia akan diserap. Solusinya hanya bisa lewat cermin, tetapi bukan cermin biasa, melainkan cermin multilayer, tempat banyak lapisan sangat tipis disusun agar gelombang yang dipantulkan saling menguatkan secara konstruktif.

Kinoshita berhasil menghasilkan gambar pertama, tetapi awalnya tidak dianggap serius. Skeptisisme itu bukan sekadar ketidaktahuan. Secara teknis, skeptisisme itu masuk akal. Sumber cahayanya terlalu lemah. Cerminnya terlalu sulit. Mesinnya akan terlalu lambat. Dan masing-masing dari poin itu saja sudah cukup untuk membunuh sebuah produk.

Secara paralel, National Labs di Amerika, termasuk Lawrence Livermore, mengerjakan teknologi X-Ray dan teknologi yang dekat dengan EUV, awalnya untuk alasan yang sama sekali berbeda. Riset dari lingkungan fisika fusi dan senjata memberikan pengetahuan tentang cermin multilayer dan radiasi berpanjang gelombang pendek. Lalu muncul pertanyaan apakah pengetahuan itu bisa dipakai untuk sesuatu yang berguna. Dari sanalah salah satu jalur awal menuju litografi EUV lahir.

Pada 1990-an, EUV menjadi proyek industri sungguhan. US labs, Bell Labs, Intel, Motorola, AMD, dan pihak lain terlibat. Setelah pendanaan pemerintah hilang, perusahaan chip terus berinvestasi sendiri, karena semua melihat hal yang sama: jika litografi 193 nm suatu saat tidak lagi cukup, dibutuhkan jawaban baru.

Sekitar tahun 2000 ada prototipe penting, Engineering Test Stand. Ia menunjukkan bahwa EUV pada prinsipnya bisa mencetak pola. Test stand ini menghasilkan cahaya EUV 9,8 watt dan mampu mencetak struktur 70 nanometer. Tetapi ia sama sekali belum cukup cepat. Sekitar sepuluh wafer per jam adalah keberhasilan laboratorium. Fab sungguhan membutuhkan ratusan wafer per jam, siang dan malam, dengan ketersediaan tinggi, yield yang dapat dipakai, dan biaya yang bisa dikendalikan.

Di titik inilah sains berpisah dari industrialisasi. Bukti di laboratorium adalah satu hal. Mesin yang direncanakan produsen chip ke dalam roadmap investasi miliaran dolar adalah hal yang sama sekali berbeda.

Salah satu hambatan paling brutal adalah anggaran cahaya. Cermin EUV tidak memantulkan semuanya. Ketika cahaya melewati beberapa cermin dan reticle, setelah setiap kontak tersisa lebih sedikit. Dengan reflektivitas sekitar 70 persen per cermin, setelah banyak pantulan hanya beberapa persen foton yang tersisa. Karena itu, sumber cahaya bukan sekadar sebuah komponen. Ia adalah perbedaan antara “eksperimen menarik” dan “mesin yang bisa dipakai industri”.

Banyak perusahaan keluar atau kehilangan keyakinan. Pada akhirnya, terutama ASML yang bertahan.

Ini menarik, karena ASML sendiri dulu memulai dari kecil: spin-off Philips di Belanda, yang pada awalnya lebih mirip taruhan goyah daripada monopolis global. Tetapi ASML punya dua hal: fokus ekstrem pada litografi dan kesediaan untuk menanggung risiko bersama mitra. ZEISS mengambil alih optik. ASML mengintegrasikan sistemnya. Kemudian teknologi kunci di sekitar sumber cahaya juga semakin rapat ditarik ke dunia ASML.

EUV bukan satu penemuan tunggal. EUV adalah rantai berisi ribuan masalah “nyaris mustahil, tapi mungkin tetap bisa”.

Sebagai pelengkap kisah perkembangan ini, pengantar yang lebih dalam berikut paling pas ditempatkan di sini:

Kemustahilan teknis

Masalah 1: Bagaimana membangun matahari di dalam mesin?

Cahaya EUV dengan panjang gelombang 13,5 nanometer tidak dihasilkan dengan lampu biasa.

ASML memakai sumber laser-produced plasma. Pada prinsip dasarnya, tetesan sangat kecil dari timah cair dibuat. ASML secara publik menjelaskan tetesan timah berukuran sekitar 25 mikrometer yang keluar dari generator dengan kecepatan sekitar 70 meter per detik. Itu kira-kira 250 km/jam. Tetesan ini ditembak oleh pulsa laser puluhan ribu kali per detik.

Pulsa pertama membuat tetesan menjadi pipih, hampir seperti pancake mungil. Setelah itu pulsa yang jauh lebih kuat menghantam timah dan mengubahnya menjadi plasma panas. Dalam penjelasan yang lebih baru tentang mesin saat ini, urutan pulsa dijelaskan lebih halus lagi: pre-pulse, pre-pulse tambahan untuk menipiskan awan timah, lalu pulsa utama. Tiga tembakan terjadi dalam kira-kira 20 mikrodetik. Tujuannya tetap sama: mendapatkan sebanyak mungkin cahaya EUV yang berguna dari sebanyak mungkin timah.

Plasma itu panasnya sulit dibayangkan: sekitar 220.000 derajat Celsius atau Kelvin, kira-kira 40 kali lebih panas daripada permukaan Matahari. Dari plasma ini muncul foton dengan panjang gelombang EUV yang diinginkan.

Itu saja sudah absurd. Tetapi tidak cukup hanya sekali mengenai satu tetesan. Mesin harus melakukannya terus-menerus. 50.000 kali per detik. Jika setiap tetesan membutuhkan tiga pulsa, hasilnya 150.000 pulsa laser per detik yang harus tepat dalam ruang dan waktu. Pada roadmap dan pernyataan yang lebih baru, arahnya bahkan menuju 60.000 dan kemudian 100.000 tetesan per detik.

Dan tetesan ini tidak boleh berada di sembarang tempat. Ukurannya harus sama, kecepatannya sama, dan ia harus berada di tempat yang tepat pada waktu yang tepat. Mesin mengamatinya, menghitung lintasannya, lalu menembakkan laser agar pulsa tepat mengenai sasaran. Gambarannya: bola golf yang harus jatuh ke lubang jauh di tengah badai, setiap kali, tanpa jeda.

Bagi saya ini salah satu titik ketika kepala saya berhenti sebentar. Bukan karena prinsipnya tidak bisa dipahami, melainkan karena pengulangan industrinya begitu luar biasa. Eksperimen boleh spektakuler. Mesin fab harus menjadi membosankan karena andal.

Masalah 2: Timah adalah solusi sekaligus musuh

Mengapa timah?

Sumber EUV awal antara lain memakai xenon. Itu bekerja, tetapi efisiensinya buruk. Sebagian besar energi tidak berakhir sebagai radiasi 13,5 nm yang diinginkan. Timah lebih cocok karena dapat menghasilkan cahaya EUV di rentang ini dengan efisiensi yang jauh lebih baik.

Hanya saja timah membawa masalah baru: ke mana material itu pergi?

Kedengarannya sepele, tetapi ini adalah masalah eksistensial bagi mesin. Satu nanometer timah saja pada collector mirror bisa cukup untuk membuat cermin itu tidak bisa dipakai. Pada saat yang sama, sepanjang umur sumber cahaya, bukan jumlah simbolis yang melewati sistem, melainkan banyak timah sungguhan. Jadi cermin harus tetap hampir sempurna bersih meskipun tepat di sebelahnya terjadi ledakan plasma timah kecil 50.000 kali per detik.

Tetesan itu tidak ditembak secara simbolis. Ia diuapkan dan dicabik. Tetapi tepat di dekatnya ada collector mirror, cermin yang sangat mahal dan sangat sensitif yang harus mengumpulkan cahaya EUV. Jika timah mengendap di sana, efisiensi sumber turun. Jika cermin terlalu kotor, mesin berhenti.

Jadi ASML bukan hanya harus menghasilkan cahaya, tetapi sekaligus mencegah sumber cahayanya menghancurkan dirinya sendiri.

Sebagian solusinya adalah hidrogen. Di ruang sumber terdapat hidrogen bertekanan rendah. Hidrogen memperlambat dan mendinginkan sisa timah serta membantu mengubah timah secara kimia menjadi senyawa gas yang bisa dibuang. Tetapi ini juga bukan trik filter sederhana. Ledakan plasma mungil memanaskan hidrogen dan menghasilkan gelombang kejut. Kita bisa membayangkannya seperti mini-supernova yang muncul 50.000 kali per detik di dalam bejana. Para insinyur harus memahami berapa banyak energi yang masuk ke gas, seberapa cepat gas harus mengalir, dan bagaimana mendapatkan perlindungan yang cukup tanpa kembali menyerap terlalu banyak cahaya EUV.

Bagian ini menunjukkan betapa tidak romantisnya sihir dalam praktik. Tidak ada penyihir yang duduk di tuas. Ada insinyur di depan data pengukuran, melihat gelombang kejut di gas, membandingkannya dengan rumus dari fisika ledakan, lalu menyadari: kita harus membilas sistem ini dengan hidrogen pada kecepatan absurd. Skalanya sekitar 360 km/jam aliran gas, lebih cepat daripada badai kategori 5, meskipun tentu kepadatan di dalam sistem jauh lebih rendah.

Dan bahkan itu belum menyelesaikan semuanya. Hambatan lain adalah collector masih terdegradasi terlalu cepat meskipun ada hidrogen. Terobosannya datang dari sebuah pengamatan: ketika mesin dibuka, cermin tampaknya menjadi lebih bersih. Penyebabnya adalah oksigen. Maka mereka bereksperimen dengan jumlah oksigen sangat kecil di dalam sistem, cukup untuk memperbaiki proses pembersihan, tetapi tidak begitu banyak sampai sistem vakum dan transmisi EUV terganggu.

Inilah jenis engineering yang saya suka: gagasan besar memang penting, tetapi pada akhirnya sering kali yang menang adalah orang yang menanggapi satu detail aneh dengan serius.

Masalah 3: Cermin yang sebenarnya tidak boleh ada

EUV tidak melewati lensa kaca. Jadi litografi EUV bekerja dengan cermin.

Tetapi cermin juga tidak memantulkan EUV seperti cermin kamar mandi memantulkan cahaya tampak. Cermin EUV terdiri dari sistem lapisan yang sangat presisi, biasanya molibdenum dan silikon. Banyak lapisan sangat tipis disesuaikan agar memantulkan sebanyak mungkin cahaya tepat pada 13,5 nanometer.

Meski begitu, satu cermin hanya memantulkan sebagian cahaya. Ketika cahaya dipantulkan berkali-kali, daya yang tersisa cepat menyusut. Karena itulah sumber cahaya begitu lama menjadi bottleneck. Lebih banyak cahaya di awal berarti lebih banyak cahaya yang berguna di wafer.

Permukaan cermin ini pada saat yang sama harus sangat halus. ASML menyebut kehalusan cermin EUV modern berada pada rentang puluhan pikometer. Sebagai perbandingan, cermin rumah tangga biasa sangat kasar: kurang lebih ketidakrataan di skala ribuan atom silikon, sementara cermin EUV awal harus halus pada skala atom.

Perbandingan skalanya sulit dilupakan: jika cermin Low-NA EUV diperbesar sampai seukuran Jerman, ketidakrataan tertingginya kira-kira satu milimeter. Pada High-NA, gambarnya lebih ekstrem lagi: jika cerminnya sebesar Bumi, ketidakrataan tertingginya kira-kira setebal kartu permainan.

Itu terdengar seperti marketing, tetapi di baliknya ada fisika keras. Pada panjang gelombang 13,5 nm, ketidakrataan kecil bukan sekadar “goresan”. Ia menyebarkan cahaya, memakan kontras, dan memperburuk gambar. Cermin tidak hanya harus halus, tetapi juga harus dikontrol pada posisi, bentuk, dan suhu.

ZEISS memainkan peran pusat di sini. Untuk High-NA EUV, optiknya menjadi lebih besar dan lebih berat. ZEISS menggambarkan optik proyeksi untuk High-NA dengan lebih dari 40.000 bagian dan berat sekitar dua belas ton. Itu tujuh kali volume dan berat optik proyeksi EUV yang sudah mapan. Pada saat yang sama, elemen optik individual harus disejajarkan dan dikendalikan dengan presisi nanometer.

Ini mind-bender berikutnya: kita membangun sesuatu yang raksasa agar bisa mencetak sesuatu yang mungil.

Cara kerja mesin ini

Untuk alur teknisnya sendiri, video resmi ASML sangat pas ditempatkan di bagian ini. Video itu menunjukkan platform High-NA, optik anamorphic, stage yang lebih cepat, dan mengapa TWINSCAN EXE dibangun untuk generasi chip masa depan.

Apa yang diubah High-NA dibanding EUV biasa

Mesin EUV komersial pertama dari ASML, sistem NXE, bekerja dengan numerical aperture 0,33. High-NA, yaitu platform EXE, menaikkan NA ini menjadi 0,55.

Secara optik, idenya sederhana: NA yang lebih besar menangkap cahaya dari rentang sudut yang lebih besar. Dengan itu sistem dapat menampilkan detail yang lebih halus. ASML menyebut resolusi 8 nm untuk TWINSCAN EXE:5000. Dibanding sistem NXE, ini seharusnya memungkinkan struktur single-exposure yang 1,7 kali lebih kecil, dan dengan begitu kerapatan transistor yang jauh lebih tinggi.

Tetapi di sini juga masalahnya langsung muncul.

Ketika cahaya mengenai reticle pada sudut yang lebih besar, muncul masalah baru. Reticle memantulkan lebih buruk pada sudut-sudut ini, dan pendekatan sederhana “kita buat semuanya lebih besar” akan meledakkan seluruh infrastruktur mask industri. Solusinya disebut optik anamorphic.

Alih-alih mengecilkan pola sama besar di kedua arah, High-NA mengecilkannya berbeda: 4x di satu arah dan 8x di arah lain. Dengan itu industri bisa tetap memakai ukuran reticle tradisional sambil tetap mendapatkan manfaat NA yang lebih tinggi.

Harganya: bidang exposure menjadi lebih kecil. Per wafer dibutuhkan lebih banyak exposure. Agar tetap ekonomis, wafer stage dan reticle stage harus menjadi jauh lebih cepat. ASML menyebut lebih dari 185 wafer per jam untuk EXE:5000 dan roadmap menuju 220 wafer per jam. Akselerasinya berada di lebih dari 20 g; untuk platform EXE, ASML secara konkret menyebut 8 g untuk wafer stage dan 32 g untuk reticle stage.

Coba bayangkan sebentar: di dalam mesin ini, sebuah pola ditransfer dengan presisi nanometer sementara bagian-bagian bergerak dengan akselerasi yang lebih terdengar seperti dunia balap atau penerbangan. Dan tetap saja penumpukan lapisan hanya boleh meleset dalam rentang beberapa atom. Untuk presisi overlay ini, angka yang disebut kira-kira satu nanometer, sekitar lima atom silikon.

Gambaran Bulan dan koin tadi juga cocok sekali lagi di sini: jika kontrol cermin begitu halus sehingga sinar laser imajiner pada jarak Bulan bisa membedakan dua sisi sebuah koin, kita mulai memahami apa arti akurasi pikoradian. Mesin tidak hanya harus mencetak kecil. Ia harus menumpuk lapisan berulang-ulang sedemikian rupa sehingga kesalahan pada skala lapisan atom individual menjadi relevan.

Itulah inti High-NA yang sebenarnya: bukan hanya mencetak lebih kecil, tetapi mencetak lebih kecil tanpa menghancurkan ekonomi produksi.

Bagaimana satu langkah exposure benar-benar terhubung

Jika kita melihat mesin ini sebagai urutan proses, ia menjadi sedikit lebih mudah digenggam.

Pertama datang wafer. Sebelumnya wafer sudah disiapkan di alat lain: dibersihkan, dilapisi, mungkin diberi lapisan material tipis, dan ditutup dengan photoresist. Proses sebelum dan sesudah ini sama-sama bagian dari manufaktur chip seperti litografi itu sendiri. Mesin ASML bukan seluruh fab, melainkan salah satu alat paling kritis di dalamnya.

Lalu datang mask. Di atasnya ada pola yang nantinya akan terbentuk di wafer. Tetapi pola ini bukan gambar naif dari hasil akhir yang diinginkan. Karena difraksi, kimia, perilaku resist, dan distorsi proses, pola langsung seperti itu akan mendarat salah. Karena itu industri memakai computational lithography dan Optical Proximity Correction. Sederhananya: mask sengaja digambar “salah” agar proses fisika pada akhirnya mencetak hasil yang benar.

Kemudian sumber cahaya menghasilkan foton EUV dari plasma timah. Collector mirror mengumpulkan sebanyak mungkin dan mengirimkannya ke scanner.

Di illuminator, cahaya dibentuk. Setelah itu cahaya mengenai reticle. Karena EUV tidak melewati mask seperti cahaya tampak melewati proyeksi slide, reticle juga bersifat reflektif. Cahaya mengambil pola dan berlanjut ke optik proyeksi.

Di sana terjadi pemetaan sebenarnya ke wafer. Cermin mengecilkan dan mengoreksi gambar. Pada High-NA, ini terjadi secara anamorphic, jadi berbeda pada dua arah. Pada saat yang sama, stage menggerakkan wafer sehingga satu field demi satu field diekspos.

Setelah exposure, photoresist dikembangkan. Tergantung jenis resist, area yang terkena atau tidak terkena cahaya akan tersisa. Setelah itu menyusul etching, deposition, doping, pembersihan, dan langkah-langkah lain. Untuk lapisan berikutnya, siklus dimulai lagi.

Kesulitannya bukan pada satu langkah tunggal, melainkan pada jumlah keseluruhannya:

• Cahaya EUV harus cukup kuat.
• Cermin tidak boleh kotor.
• Optik harus tetap stabil.
• Wafer dan reticle harus bergerak sangat cepat dan sangat presisi.
• Lapisan harus saling tumpang tindih dengan overlay nanometer.
• Semuanya harus berjalan di lingkungan produksi sungguhan.

Setiap poin sendirian sudah akan menjadi masalah engineering kelas dunia. ASML harus menyelesaikan semuanya sekaligus.

Mengapa kisah ini begitu menarik

Yang membuat saya terpesona pada ASML bukan hanya mesinnya sendiri, melainkan ketegangan dalam perkembangannya.

Selama puluhan tahun, EUV bukan sesuatu yang pasti. Ada prototipe, tetapi cahayanya terlalu sedikit. Ada sumber cahaya yang lebih baik, tetapi timah menghancurkan cermin. Ada cermin, tetapi throughput belum cukup. Ada terobosan, tetapi pasar terus menggeser garis finis, karena DUV dengan multi-patterning bertahan lebih lama daripada yang diperkirakan.

Ini poin penting: ASML tidak bekerja di laboratorium tenang menuju masa depan yang jelas. Perusahaan ini harus membangun teknologi ketika pelanggan ragu, target wafer per jam meningkat, biaya meledak, dan alternatif terus diperas sampai batasnya.

Ada satu momen yang sangat melekat bagi saya: pada awal 2010-an, ASML belum mencapai tujuan dengan EUV saat itu, tetapi sudah mengerjakan generasi berikutnya, High-NA. Itu sebenarnya gila. EUV yang sekarang belum rapi di produksi, tetapi platform berikutnya yang lebih sulit sudah dimulai.

Dari sudut pandang manajemen proyek biasa, itu terdengar tidak masuk akal. Dari sudut pandang teknologi, mungkin itu memang perlu. Jika kita baru mulai High-NA ketika Low-NA berjalan sempurna, kita akan terlambat sepuluh tahun.

Taruhan seperti ini selalu terlihat logis ketika dilihat ke belakang. Pada saat kejadian, ia lebih mirip kegilaan dengan anggaran.

Intel, Samsung, dan TSMC berinvestasi langsung di ASML untuk ikut menanggung perkembangan ini. Skalanya: sekitar 4,1 miliar dolar dari Intel dan total tambahan 1,3 miliar dolar dari Samsung dan TSMC. Itu saja sudah menunjukkan betapa sentralnya mesin ini bagi masa depan industri. Tanpa EUV, Moore’s Law tidak akan begitu saja mati, tetapi biaya dan kompleksitas untuk scaling lebih lanjut akan menjadi jauh lebih keras.

Satu momen yang sangat kuat datang pada 2015: ASML harus akhirnya menunjukkan 200 watt daya sumber EUV kepada pelanggan di Korea. Kesabaran sudah tipis. Ketika orang-orang ASML naik pesawat, eksperimen masih berjalan. Ketika mereka mendarat, hasil pertama sudah ada: 200 watt. Begitu tipisnya teknologi ini pada titik-titik penting.

Dan sekarang, pada 2026, High-NA bukan lagi sekadar mimpi laboratorium. ASML sudah mengirim sistem pertama, Intel telah membangun sistem High-NA komersial pertama di Oregon, imec dan ASML bersama-sama menjalankan lab High-NA di Veldhoven, dan ASML pada akhir 2025 sudah membukukan pendapatan untuk dua sistem High-NA.

Meski begitu, bagian yang dingin dan realistis tetap penting: mesin 400 juta dolar tidak menang karena terlihat mengesankan. Ia hanya menang jika di dalam fab ia memperbaiki perhitungan: lebih sedikit mask, lebih sedikit langkah proses, yield yang lebih baik, cycle time yang lebih pendek, atau struktur baru yang jika tidak begitu tidak bisa dibuat secara ekonomis.

Bahkan sihir pun harus bertahan di Excel dalam industri semikonduktor.

Sudut pandang infrastruktur

Sebagai orang jaringan dan security, saya otomatis melihat dependensi. Dan pada ASML, dependensinya hampir membuat tidak nyaman.

ASML saat ini adalah satu-satunya penyedia sistem litografi EUV. DUV punya kompetisi, EUV praktis tidak. Pada saat yang sama, chip paling maju bergantung tepat pada teknologi ini. Itu menyentuh smartphone, akselerator AI, CPU server, GPU, High-Bandwidth Memory, teknologi jaringan, otomotif, riset, dan aplikasi militer.

Ini membuat ASML menjadi perusahaan infrastruktur, meskipun perusahaan ini tidak mengoperasikan jalur Internet dan tidak memiliki pusat data. Ia berdiri lebih dalam di stack. Di bawah cloud. Di bawah AI. Di bawah smartphone. Di bawah hardware jaringan. Di bawah hampir semua hal yang hari ini diskalakan secara digital.

Mesinnya sendiri juga infrastruktur dalam bentuk ekstrem. Satu sistem High-NA terdiri dari sekitar 100.000 bagian, kira-kira 3.000 kabel, sekitar 40.000 sekrup, dan sekitar dua kilometer selang atau jalur kabel. Tergantung cara menghitungnya, ada 800 pemasok global sampai 5.000 perusahaan pemasok. Mesin High-NA terdiri dari empat subsistem besar yang antara lain dibuat di Connecticut, Jerman, Belanda, dan California. Bagian-bagian ini pertama-tama pergi ke Veldhoven, dirakit dan diuji di sana, lalu dibongkar lagi dan baru setelah itu dikirim ke pelanggan.

Transportasinya saja hampir seperti kisah logistik tersendiri: sekitar tujuh Boeing 747, 25 sampai 30 truk, dan tergantung hitungannya sekitar 250 kontainer. Itu angka transportasi untuk satu mesin saja.

Ini bukan satu mesin tunggal dalam arti klasik. Ini adalah ekosistem global yang dipadatkan menjadi sebuah mesin.

Dan justru karena itu, export control, ketegangan geopolitik, dan supply chain bukan topik pinggiran di sini. Siapa pun yang tidak mendapatkan EUV harus mencoba bertahan dengan teknik yang lebih tua, lebih banyak multi-patterning, lebih banyak usaha, dan ekonomi yang lebih buruk. Itu bisa bekerja untuk node tertentu, tetapi mengubah aturan permainan.

Apa yang saya bawa pulang dari semua ini

Saya ingin menulis artikel ini karena saya ingin memahami mesin ini. Bukan sepenuhnya, itu akan terlalu sombong. Tetapi cukup agar dari “ini sihir” muncul model mental yang bisa diandalkan.

Model saya sekarang seperti ini:

ASML High-NA EUV bukan mesin ajaib. Ia adalah jawaban yang sangat konsekuen terhadap batas fisika.

Orang menginginkan struktur yang lebih kecil. Jadi dibutuhkan cahaya yang lebih pendek. Cahaya ini diserap oleh hampir semuanya. Jadi dibangun sistem vakum dengan optik cermin. Cermin hanya memantulkan sebagian cahaya. Jadi dibutuhkan sumber yang lebih kuat. Sumber itu menghasilkan cahaya dengan mengubah timah menjadi plasma. Timah mengotori cermin. Jadi dibutuhkan hidrogen, oksigen, aliran gas, sensorik, dan pembersihan. Optiknya menjadi lebih besar. Jadi dibutuhkan High-NA, pencitraan anamorphic, stage yang lebih cepat, dan model koreksi yang lebih baik lagi. Dan karena setiap lapisan harus pas sempurna dengan lapisan sebelumnya, semuanya harus dikontrol pada skala nanometer.

Ini bukan satu ide jenius tunggal. Ini adalah menara dari kemustahilan yang berhasil diselesaikan.

Mungkin justru itulah alasan mesin ini begitu memikat saya. Ia menunjukkan sejauh apa manusia bisa melangkah ketika sebuah tujuan cukup penting dan ekonominya pada akhirnya cukup besar untuk membiayai sesuatu yang sebenarnya tidak masuk akal.

Ini sedikit mengingatkan saya pada makanan. Ketika kita mulai memikirkan dari mana makanan di piring berasal, sesuatu yang sehari-hari tiba-tiba menjadi gila lagi. Terutama di sini di Dubai, tempat praktis semuanya diimpor dari seluruh dunia. Stroberi atau tomat terasa sederhana, sampai kita memikirkan benih, air, pupuk, iklim, panen, cold chain, kontrol kualitas, transportasi, penyimpanan, dan supermarket. Pada akhirnya ada sesuatu di piring yang hanya terasa biasa karena ribuan langkah sebelumnya berhasil.

Pada chip, situasinya mirip, hanya jauh lebih ekstrem. Saya menulis artikel ini di perangkat yang prosesornya dimungkinkan oleh rantai manufaktur seperti itu. AI yang di pusat data membantu mengoreksi, menyusun, atau menerjemahkan berjalan di atas chip yang pada gilirannya hanya mungkin dalam bentuk ini karena mesin seperti ini. Ini adalah rantai pasok teknis yang begitu dalam di bawah keseharian kita sampai kita hampir tidak pernah melihatnya.

Roket terlihat lebih spektakuler. Kabel bawah laut lebih mudah digenggam. Jaringan lebih akrab bagi saya. Tetapi mesin ini menyentuh sesuatu yang lain: ia terasa seperti titik ketika fisika, ilmu material, optik, mekatronika, software, kimia, supply chain, dan keras kepala murni bertemu.

Dan ya, ia masih terasa seperti sihir.

Tetapi sekarang sedikit lebih bukan seperti sihir yang tidak bisa dijelaskan, dan lebih seperti jenis sihir yang muncul ketika ribuan insinyur yang sangat baik selama puluhan tahun menolak menerima bahwa sesuatu harus mustahil.

Sampai jumpa lagi,
Joe