ASML High-NA EUV: Apabila Pembuatan Cip Terasa Seperti Sihir

Ada teknologi yang suatu hari menjadi begitu biasa sehingga kita hampir lupa betapa tidak masuk akalnya teknologi itu sebenarnya.

SpaceX kini secara purata menghantar roket ke orbit kira-kira setiap dua hingga dua setengah hari. Internet dari angkasa bukan lagi fiksyen sains, tetapi produk dengan aplikasi, router dan langganan bulanan. Kita membawa superkomputer di dalam poket, menstrim video dalam kereta api, membayar tanpa sentuh, membuat panggilan melalui rangkaian IP dan mengharapkan semuanya berfungsi begitu sahaja.

Bagi banyak teknologi ini, saya sekurang-kurangnya masih boleh membayangkan apa yang berlaku pada asasnya. Saya faham bagaimana routing berfungsi, mengapa kabel dasar laut ialah tulang belakang sebenar internet, dan bagaimana TCP, DNS, BGP, gentian optik, pautan satelit dan firewall saling bekerja. Untuk roket dan enjin juga, dengan cukup video, rajah keratan rentas dan fizik, saya boleh membina gambaran. Bukan pada tahap jurutera, tetapi cukup supaya ia tidak lagi terasa sepenuhnya mistik.

Dalam pembuatan cip moden, ceritanya berbeza.

Saya tentu tahu secara kasar bahawa cip diperbuat daripada silikon, transistor semakin kecil, wafer didedahkan kepada cahaya, dietsa dan disalut. Tetapi sebaik sahaja kita benar-benar masuk ke skala litografi moden, pemahaman saya mula terbalik. Kita tidak lagi bercakap tentang “kecil”, tetapi tentang struktur yang begitu jauh di bawah bayangan biasa saya sehingga semuanya kembali terasa seperti sihir.

Dan kemudian ada mesin ASML ini: High-NA EUV. Satu sistem berharga lebih daripada 400 juta dolar. Lebih besar daripada bas dua tingkat. Begitu kompleks sehingga ia bergerak mengelilingi dunia dalam modul, dipasang semula di lokasi pelanggan dan hanya boleh bekerja dalam persekitaran paling bersih yang mampu dibina manusia. Sebuah mesin yang menembak titisan kecil timah cair puluhan ribu kali sesaat dengan laser, menghasilkan cahaya ultraungu ekstrem, lalu mencetak corak pada wafer yang kemudian menjadi CPU, GPU, pemecut AI dan cip telefon pintar.

Ada satu fikiran begini: apa yang tidak kita fahami terasa seperti sihir. Itulah tepatnya rasa litografi EUV bagi saya. Tetapi perkara yang menarik ialah: apabila kita mula memahaminya, ia tidak menjadi kurang ajaib. Ia malah menjadi lebih gila.

Gambar ini bagi saya menunjukkan dengan baik mengapa mesin ini begitu mencengkam perhatian saya: di dalam, ia kelihatan seperti sekeping masa depan yang dibuka; di tempat pelanggan, ia kemudian berdiri lebih seperti kotak industri putih yang besar di dalam fab.

Beberapa angka yang perlu dibaca dua kali

Sebelum masuk ke fizik sekalipun, berbaloi melihat sebentar skala mesin ini. Bukan kerana angka besar secara automatik bermaksud teknologi baik, tetapi kerana tanpa itu mesin ini terlalu abstrak.

Mesin High-NA EUV tidak sekadar dihantar begitu sahaja. Ia dibina di ASML, disahkan, dibuka semula dan diangkut kepada pelanggan dalam modul. Di belakangnya, bergantung pada cara pengiraan, ada sekitar 800 hingga 5,000 pembekal. Subsistem besar dibuat di beberapa negara, bertemu di Veldhoven dan selepas itu bergerak ke fab: kira-kira 250 kontena, 25 hingga 30 lori dan tujuh Boeing 747 untuk satu mesin sahaja.

Selain itu ada kira-kira 100,000 komponen individu, sekitar 40,000 skru, kira-kira 3,000 kabel dan lebih daripada dua kilometer talian atau hos. Untuk sambungan di pihak pelanggan, lebih daripada 2,000 sambungan elektrik diperlukan. Ini bukan lagi “sebuah peranti”. Ini ialah ekosistem industri kecil yang kebetulan mempunyai satu tugas: mengawal cahaya dengan begitu tepat sehingga cip moden boleh wujud.

Pembuatan mesin itu sendiri juga tidak kedengaran seperti pembinaan mesin biasa. Di kilang EUV, kira-kira 2,000 orang bekerja, dan itu 24/7. Satu mesin High-NA memerlukan kira-kira setahun setengah sehingga ia dibina, diuji dan disahkan. Dan walaupun begitu, ia belum “siap” dalam erti kata produk yang boleh diletakkan begitu sahaja di atas palet. Ia dibuka semula dan hanya selepas itu bergerak ke fab.

Persekitarannya sahaja sudah ekstrem. Bilik bersih ASML digambarkan mempunyai maksimum kira-kira 10 partikel per meter padu pada 0.1 mikrometer. Sebuah bilik pembedahan yang sangat bersih, dalam perbandingan ini, berada sekitar 10,000 partikel per meter padu. Dan kita sedang bercakap tentang partikel yang jauh lebih kecil daripada debunga atau habuk halus.

Di dalam mesin, ia menjadi lebih gila lagi. Mesin menembak titisan timah kecil yang kira-kira sebesar sel darah. Untuk itu, laser CO2 dinaikkan melalui beberapa penguat kepada kira-kira 20,000 watt. Titisan ini ditembak puluhan ribu kali sesaat. Dalam sumber yang lebih baharu, ada tiga denyutan laser bagi setiap titisan: mula-mula membentuk, kemudian menipiskan, kemudian menukarnya sepenuhnya menjadi plasma. Pada 50,000 titisan sesaat, secara mental itu bersamaan 150,000 tembakan laser tepat sesaat. Dan idea keseluruhannya bukan untuk terkena “kebanyakannya”. Sistem ini mesti membuat tembakan itu dengan boleh dipercayai pada skala industri.

Pergerakan dalam scanner juga tidak masuk akal. Reticle, iaitu mask dengan corak cip, tidak digerakkan secara santai. Pecutannya berada pada lebih daripada 20 g; untuk platform EXE, ASML malah menyebut 32 g bagi reticle stage. Itu kira-kira seperti sebuah kereta lumba yang memecut dari 0 ke 100 km/j dalam 0.09 saat. Pada masa yang sama, penjajaran lapisan cip mesti tepat pada skala nanometer.

Kemudian datang gambar mental yang sukar saya lupakan: bayangkan di sisi sebuah cermin ada laser kecil. Sinar itu pergi hingga ke bulan. Di sana ada sekeping syiling. Kawalan cermin begitu halus sehingga kita bukan sahaja boleh mengenai “syiling itu” secara kasar, tetapi boleh menentukan sama ada sinar itu mendarat di satu sisi atau sisi lain syiling tersebut. Kawalan sudut bergerak dalam skala ini, iaitu dalam julat pikoradian. Perbandingan seperti ini tentu penyederhanaan. Tetapi ia membantu kita merasai ketepatan itu. Kita tidak bercakap tentang “sangat tepat” dalam erti pembinaan mesin biasa. Kita bercakap tentang sistem industri yang hanya beberapa atom anjakan pun sudah relevan.

Apa sebenarnya yang dibina ASML

ASML tidak membuat cip. Itu penting. ASML membina mesin yang digunakan syarikat seperti TSMC, Samsung, Intel, SK hynix, Micron dan lain-lain untuk meletakkan corak paling halus pada wafer silikon.

TSMC bermaksud Taiwan Semiconductor Manufacturing Company. Ramai orang mengenali Apple, Nvidia, AMD atau Qualcomm sebagai jenama cip. TSMC sering menjadi kilang di belakangnya: pengeluar kontrak yang menukar reka bentuk itu menjadi cip sebenar.

Cip moden pada asasnya ialah bandar buatan daripada suis elektrik: sebuah bandar pengiraan berskala nanometer dengan banyak lapisan dan ratusan kilometer talian. Di bahagian paling bawah terletak berbilion transistor. Di atasnya terdapat lapisan talian, penebat, kontak dan struktur kecil yang menghubungkan semuanya. Sesetengah cip mempunyai sehingga kira-kira 100 lapisan, dan setiap lapisan mesti sepadan dengan lapisan sebelumnya secara amat tepat. Jika dua lapisan bergeser sedikit sahaja antara satu sama lain, cip itu bukan sekadar “sedikit lebih buruk”, tetapi berpotensi menjadi sisa.

Teknik pusat untuk itu dipanggil fotolitografi. Secara sangat ringkas, satu kitaran berjalan begini:

1. Bahan diletakkan pada wafer silikon.
2. Di atasnya diletakkan lak peka cahaya, iaitu photoresist.
3. Mesin litografi memproyeksikan corak pada lak ini.
4. Bahagian yang didedahkan kepada cahaya berubah sifat kimianya.
5. Selepas itu ia dibangunkan, dietsa, disalut atau didopkan.
6. Proses itu berulang untuk lapisan seterusnya.

Kedengarannya hampir biasa: kita mengambil cahaya, mask dan permukaan peka. Pada prinsipnya ia fotografi. Cuma foto di hujungnya bukan gambar, tetapi sebahagian daripada pemproses. Dan “piksel” berada pada skala di mana habuk, haba, getaran, molekul udara, kesan sampingan kimia dan ralat optik yang amat kecil menjadi lawan sebenar.

Mesin ASML ialah sistem unjuran. Cahaya membawa corak sebuah mask, juga dipanggil reticle, melalui optik ke wafer. Optik mengecilkan dan memfokuskan corak tersebut. Selepas itu mesin menggerakkan wafer dan mendedahkan kawasan seterusnya.

Soalan sebenar jadi begini: Seberapa kecil boleh kita cetak dengan cahaya?

Masalahnya: cahaya akhirnya terlalu kasar

Dalam litografi ada dua tombol besar yang boleh dilaras: panjang gelombang cahaya dan apertur berangka optik. Panjang gelombang yang lebih pendek membantu mencetak struktur lebih kecil. Apertur berangka yang lebih besar bermaksud optik boleh mengumpul dan memfokuskan cahaya daripada julat sudut yang lebih luas. Itu juga meningkatkan resolusi.

Untuk masa yang lama, industri pergi sangat jauh dengan litografi DUV. DUV bermaksud Deep Ultraviolet. Cahaya argon-fluorida dengan panjang gelombang 193 nanometer menjadi sangat penting. Selama bertahun-tahun, ia ialah teknologi kuda kerja untuk cip maju. Dengan helah seperti litografi imersi, mask yang lebih baik, computational lithography dan multi-patterning, industri dapat memerah lebih banyak daripada teknologi ini daripada yang kelihatan munasabah.

Tetapi pada satu titik, cahaya memang terlalu panjang gelombangnya untuk apa yang mahu dicetak. Apabila struktur menghampiri panjang gelombang itu sendiri, cahaya membelok, interferens menjadi sangat penting, dan corak pada mask tidak lagi mendarat dengan bersih di wafer.

Sebahagiannya boleh dikompensasi dengan perisian, pembetulan mask dan pendedahan berulang. Itulah yang dilakukan industri selama bertahun-tahun. Tetapi multi-patterning mahal, lambat dan mudah menghasilkan ralat. Jika satu lapisan kritikal menjadi dua, tiga atau empat langkah pendedahan, masa proses, kos mask dan risiko meningkat. Setiap langkah tambahan ialah satu lagi peluang untuk kehilangan yield.

Jadi industri memerlukan cahaya yang lebih pendek.

EUV, Extreme Ultraviolet, bekerja pada 13.5 nanometer. Itu lebih daripada 14 kali lebih pendek daripada DUV 193 nm, kira-kira selebar lima untaian DNA bersebelahan. Secara teori, ini sekali lagi memungkinkan struktur yang jauh lebih halus dicetak. Tetapi secara praktikal, ia memulakan senarai panjang masalah yang kedengaran begitu tidak masuk akal sehingga kita faham mengapa ramai orang selama beberapa dekad menganggap EUV tidak realistik.

Cahaya 13.5 nm diserap oleh hampir semua perkara. Oleh udara. Oleh kaca. Oleh kanta biasa. Oleh cermin biasa. Kita tidak boleh sekadar menghantarnya melalui optik yang cantik. Keseluruhan sistem mesti bekerja dalam vakum, dan sebagai ganti kanta, kita memerlukan cermin yang sangat khas.

Dengan kata lain: untuk membina cip yang lebih kecil, industri perlu mencipta sumber cahaya yang hampir tidak wujud secara praktikal di bumi, membina optik yang lebih licin daripada apa sahaja yang pernah disentuh manusia biasa, dan kemudian menjadikan semuanya cukup stabil untuk menjana wang 24/7 di kilang.

Itulah pertaruhannya.

Pertaruhan panjang terhadap EUV

Kisah ini tidak bermula dengan High-NA, tetapi dengan soalan sama ada kita boleh melakukan litografi dengan sinaran yang panjang gelombangnya sependek itu.

Pada 1980-an, penyelidik Jepun Hiroo Kinoshita bekerja pada idea mencetak struktur dengan sinaran yang sangat pendek panjang gelombangnya. Masalahnya segera jelas: cahaya seperti itu tidak boleh dipandu dengan kanta klasik. Ia diserap. Penyelesaiannya hanya boleh melalui cermin, tetapi bukan cermin biasa; ia perlu menggunakan cermin multilayer, di mana banyak lapisan yang amat nipis disusun supaya gelombang yang dipantulkan bergabung secara konstruktif.

Kinoshita dapat menghasilkan imej pertama, tetapi pada awalnya tidak diambil serius. Skeptisisme itu bukan sekadar kejahilan. Ia masuk akal secara teknikal. Sumber cahaya terlalu lemah. Cermin terlalu sukar. Mesin akan terlalu lambat. Dan setiap satu daripada perkara ini sahaja sudah cukup untuk membunuh sebuah produk.

Pada masa yang sama, National Labs Amerika, termasuk Lawrence Livermore, bekerja pada teknologi X-Ray dan teknologi berhampiran EUV, pada asalnya atas sebab yang sangat berbeza. Penyelidikan dari persekitaran fizik fusi dan senjata membekalkan pengetahuan tentang cermin multilayer dan sinaran pendek. Kemudian muncul soalan sama ada pengetahuan ini boleh digunakan untuk sesuatu yang berguna. Daripada situlah lahir salah satu laluan awal menuju litografi EUV.

Pada 1990-an, EUV menjadi projek industri sebenar. US-Labs, Bell Labs, Intel, Motorola, AMD dan lain-lain terlibat. Selepas pembiayaan kerajaan hilang, syarikat cip sendiri terus melabur, kerana semua orang melihat perkara yang sama: jika litografi 193 nm suatu hari tidak lagi mencukupi, industri memerlukan jawapan baharu.

Sekitar tahun 2000, muncul prototaip penting, Engineering Test Stand. Ia menunjukkan bahawa EUV pada prinsipnya boleh mencetak corak. Test stand ini menghasilkan 9.8 watt cahaya EUV dan dapat mencetak struktur 70 nanometer. Tetapi ia langsung belum cukup pantas. Kira-kira sepuluh wafer sejam ialah kejayaan makmal. Fab sebenar memerlukan ratusan wafer sejam, siang dan malam, dengan ketersediaan tinggi, yield yang berguna dan kos yang boleh dikawal.

Di titik inilah sains berpisah daripada industrialisasi. Bukti makmal ialah satu perkara. Mesin yang dirancang oleh pengeluar cip ke dalam roadmap bernilai berbilion ialah perkara lain sepenuhnya.

Salah satu bottleneck paling kejam ialah bajet cahaya. Cermin EUV tidak memantulkan semuanya. Apabila cahaya melalui beberapa cermin dan reticle, semakin sedikit cahaya tinggal selepas setiap kontak. Pada sekitar 70 peratus reflektiviti bagi setiap cermin, selepas banyak pantulan hanya tinggal beberapa peratus foton. Sebab itu sumber cahaya bukan sekadar komponen. Ia ialah perbezaan antara “eksperimen menarik” dan “mesin yang boleh digunakan secara industri”.

Banyak syarikat keluar atau kehilangan keyakinan. Pada akhirnya, yang terutama tinggal ialah ASML.

Itu menarik, kerana ASML sendiri pernah bermula kecil: sebuah spin-off Philips di Belanda, pada awalnya lebih seperti pertaruhan goyah berbanding monopoli global. Tetapi ASML mempunyai dua perkara: fokus ekstrem pada litografi dan kesanggupan menanggung risiko bersama rakan kongsi. ZEISS mengambil alih optik. ASML mengintegrasikan sistem. Kemudian teknologi utama di sekitar sumber cahaya juga semakin dibawa rapat ke dunia ASML.

EUV bukan satu ciptaan tunggal. EUV ialah rantaian ribuan masalah “hampir mustahil, tetapi mungkin masih boleh”.

Sebagai pelengkap kepada kisah perkembangan ini, pengenalan yang lebih mendalam ini paling sesuai di sini:

Kemustahilan teknikal

Masalah 1: Bagaimana membina matahari di dalam mesin?

Cahaya EUV 13.5 nanometer tidak dihasilkan dengan lampu biasa.

ASML menggunakan sumber laser-produced plasma. Pada prinsip asasnya, titisan kecil timah cair dihasilkan. Secara terbuka, ASML menerangkan titisan timah berukuran kira-kira 25 mikrometer yang keluar daripada penjana pada kelajuan sekitar 70 meter sesaat. Itu kira-kira 250 km/j. Titisan ini ditembak puluhan ribu kali sesaat oleh denyutan laser.

Denyutan pertama meleperkan titisan, hampir seperti pancake kecil. Selepas itu denyutan yang jauh lebih kuat mengenai timah tersebut dan menukarnya menjadi plasma panas. Dalam penjelasan lebih baharu tentang mesin semasa, urutan denyutan diterangkan dengan lebih halus: pra-denyut, satu lagi pra-denyut untuk menipiskan awan timah, kemudian denyut utama. Tiga tembakan berlaku dalam kira-kira 20 mikrosaat. Tujuannya tetap sama: mendapatkan sebanyak mungkin cahaya EUV yang boleh digunakan daripada sebanyak mungkin timah.

Plasma itu panasnya sukar dibayangkan: sekitar 220,000 darjah Celsius atau Kelvin, iaitu kira-kira 40 kali lebih panas daripada permukaan matahari. Daripada plasma ini terhasil foton dengan panjang gelombang EUV yang dikehendaki.

Itu sahaja sudah tidak masuk akal. Tetapi tidak cukup untuk mengenai satu titisan sekali. Mesin mesti melakukan ini secara berterusan. 50,000 kali sesaat. Jika tiga denyutan diperlukan bagi setiap titisan, kita sampai kepada 150,000 denyutan laser sesaat yang mesti tepat dari segi masa dan ruang. Dalam roadmap dan kenyataan lebih baharu, ia malah bergerak ke arah 60,000 dan kemudian 100,000 titisan sesaat.

Dan titisan ini tidak boleh berada di mana-mana sahaja. Ia mesti sama besar, sama laju dan berada di tempat yang betul pada masa yang betul. Mesin memerhatikannya, mengira penerbangannya dan menembakkan laser supaya denyutan itu tepat mengenai sasaran. Gambarnya begini: bola golf yang dalam ribut mesti masuk ke lubang jauh, setiap kali, tanpa gagal.

Bagi saya, ini salah satu titik di mana kepala saya berhenti sebentar. Bukan kerana prinsipnya tidak boleh difahami, tetapi kerana kebolehulangan industrinya begitu luar biasa. Eksperimen boleh menjadi spektakular. Mesin fab mesti menjadi membosankan kerana terlalu boleh dipercayai.

Masalah 2: Timah ialah penyelesaian dan pada masa yang sama musuh

Mengapa timah?

Sumber EUV awal menggunakan antara lain xenon. Ia berfungsi, tetapi kecekapannya lemah. Sebahagian besar tenaga tidak berakhir sebagai sinaran 13.5 nm yang dikehendaki. Timah lebih sesuai kerana ia boleh menghasilkan cahaya EUV dengan jauh lebih cekap dalam julat ini.

Tetapi timah membawa masalah baharu: ke mana bahan itu pergi?

Ini kedengaran biasa, tetapi ia masalah kewujudan bagi mesin. Hanya satu nanometer timah pada Collector Mirror mungkin cukup untuk membuat cermin itu tidak boleh digunakan. Pada masa yang sama, sepanjang hayat sumber, bukan jumlah simbolik yang melalui sistem, tetapi banyak timah sebenar. Jadi cermin mesti kekal hampir sempurna bersih, walaupun letupan plasma timah kecil berlaku 50,000 kali sesaat tepat di sebelahnya.

Titisan ini tidak ditembak secara simbolik. Ia diwapkan dan dikoyakkan. Tetapi berdekatan dengannya duduk Collector Mirror, cermin yang amat mahal dan amat sensitif yang mesti mengumpul cahaya EUV. Jika timah mendap di situ, kecekapan sumber jatuh. Jika cermin terlalu tercemar, mesin berhenti.

Jadi ASML bukan sahaja perlu menghasilkan cahaya, tetapi pada masa yang sama menghalang sumber cahaya sendiri daripada memusnahkan dirinya.

Sebahagian penyelesaiannya ialah hidrogen. Dalam ruang sumber terdapat hidrogen pada tekanan rendah. Ia memperlahankan dan menyejukkan sisa timah serta membantu menukar timah secara kimia menjadi sebatian gas yang boleh dikeluarkan. Tetapi ini juga bukan helah penapis yang mudah. Letupan plasma kecil memanaskan hidrogen dan menghasilkan gelombang kejutan. Kita boleh membayangkannya seperti mini-supernova yang terhasil 50,000 kali sesaat di dalam bekas itu. Jurutera perlu memahami berapa banyak tenaga masuk ke dalam gas, seberapa pantas ia mesti mengalir dan bagaimana mendapat perlindungan yang cukup tanpa menyerap terlalu banyak cahaya EUV semula.

Bahagian inilah yang menunjukkan betapa tidak romantiknya sihir dalam amalan. Tiada ahli sihir duduk di tuil. Yang ada ialah jurutera di hadapan data pengukuran, melihat gelombang kejutan dalam gas, membandingkannya dengan formula daripada fizik letupan dan sedar: kita perlu mengalirkan hidrogen melalui sistem ini pada kelajuan yang tidak masuk akal. Skalanya sekitar 360 km/j aliran gas, jadi lebih daripada taufan kategori 5, walaupun ketumpatan di dalam sistem tentu jauh lebih rendah.

Dan itu pun tidak menyelesaikan semuanya. Satu lagi batu sandungan ialah Collector masih merosot terlalu cepat walaupun dengan hidrogen. Terobosan datang daripada pemerhatian: apabila mesin dibuka, cermin nampaknya menjadi lebih bersih. Sebabnya ialah oksigen. Jadi mereka bereksperimen dengan jumlah oksigen yang amat kecil dalam sistem, cukup untuk menambah baik proses pembersihan, tetapi tidak terlalu banyak sehingga sistem vakum dan transmisi EUV terjejas.

Inilah jenis kejuruteraan yang saya suka: idea besar memang penting, tetapi pada akhirnya kemenangan sering datang kepada orang yang mengambil serius satu perincian pelik.

Masalah 3: Cermin yang sepatutnya tidak wujud

EUV tidak menembusi kanta kaca. Jadi litografi EUV bekerja dengan cermin.

Tetapi cermin juga tidak memantulkan EUV seperti cermin bilik mandi memantulkan cahaya tampak. Cermin EUV terdiri daripada sistem lapisan yang amat tepat, biasanya molibdenum dan silikon. Banyak lapisan sangat nipis diselaraskan supaya ia memantulkan sebanyak mungkin cahaya tepat pada 13.5 nanometer.

Walaupun begitu, satu cermin hanya memantulkan sebahagian cahaya. Apabila cahaya dipantulkan berkali-kali, kuasa yang tinggal cepat mengecil. Sebab itulah sumber cahaya begitu lama menjadi bottleneck. Lebih banyak cahaya pada awalnya bermaksud lebih banyak cahaya berguna di wafer.

Pada masa yang sama, permukaan cermin ini mesti sangat licin. ASML bercakap tentang kelicinan cermin EUV moden dalam julat puluhan pikometer. Cermin rumah biasa, berbanding itu, sangat kasar: secara ringkas, ketidaksamarataannya berada pada skala ribuan atom silikon, sedangkan cermin EUV awal perlu licin pada tahap atom.

Perbandingan skala ini melekat dalam kepala: jika cermin EUV Low-NA dibesarkan hingga sebesar Jerman, ketidaksamarataan tertingginya kira-kira satu milimeter. Pada High-NA, gambarnya lebih ekstrem lagi: jika cermin itu sebesar bumi, ketidaksamarataan tertingginya kira-kira setebal sekeping kad permainan.

Itu kedengaran seperti pemasaran, tetapi di belakangnya ada fizik keras. Pada panjang gelombang 13.5 nm, ketidaksamarataan kecil bukan “calar”. Ia menyebarkan cahaya, memakan kontras dan memburukkan imej. Cermin bukan sahaja perlu licin, tetapi juga perlu dikawal dari segi kedudukan, bentuk dan suhu.

ZEISS memainkan peranan pusat di sini. Untuk High-NA EUV, optik menjadi lebih besar dan lebih berat lagi. ZEISS menerangkan optik unjuran untuk High-NA dengan lebih daripada 40,000 bahagian dan berat sekitar dua belas tan. Itu tujuh kali ganda volum dan berat optik unjuran EUV yang sudah mapan. Pada masa yang sama, unsur optik individu mesti disejajarkan dan dikawal dengan ketepatan nanometer.

Itulah satu lagi perkara yang membuat otak berpusing: kita membina sesuatu yang gergasi supaya boleh mencetak sesuatu yang amat kecil.

Bagaimana mesin ini berfungsi

Untuk aliran teknikal itu sendiri, video rasmi ASML sangat sesuai di titik ini. Ia menunjukkan platform High-NA, optik anamorfik, stage yang lebih pantas dan mengapa TWINSCAN EXE dibina untuk generasi cip masa depan.

Apa yang diubah High-NA berbanding EUV biasa

Mesin EUV komersial pertama ASML, sistem NXE, bekerja dengan apertur berangka 0.33. High-NA, iaitu platform EXE, menaikkan NA ini kepada 0.55.

Idea di belakangnya mudah dari sudut optik: NA yang lebih besar menangkap cahaya daripada julat sudut yang lebih luas. Dengan itu sistem boleh memaparkan butiran lebih halus. ASML memberikan resolusi 8 nm untuk TWINSCAN EXE:5000. Berbanding sistem NXE, ini sepatutnya membolehkan struktur single-exposure yang 1.7 kali lebih kecil, lalu membawa kepadatan transistor yang jauh lebih tinggi.

Tetapi di sini juga, halangannya terus muncul.

Apabila cahaya mengenai reticle pada sudut yang lebih besar, masalah baharu timbul. Reticle memantul lebih buruk pada sudut ini, dan sekadar berkata “kita besarkan semuanya” akan memecahkan seluruh infrastruktur mask industri. Penyelesaiannya dipanggil optik anamorfik.

Daripada mengecilkan corak sama rata dalam dua arah, High-NA mengecilkannya secara berbeza: 4x dalam satu arah dan 8x dalam arah yang lain. Dengan itu industri boleh terus bekerja dengan saiz reticle tradisional dan pada masa yang sama mendapat manfaat NA yang lebih tinggi.

Harganya: medan pendedahan menjadi lebih kecil. Bagi setiap wafer, lebih banyak pendedahan diperlukan. Supaya ia kekal ekonomik, wafer stage dan reticle stage perlu menjadi jauh lebih pantas. ASML menyebut lebih daripada 185 wafer sejam untuk EXE:5000 dan roadmap ke arah 220 wafer sejam. Pecutannya berada pada lebih daripada 20 g; untuk platform EXE, ASML menyebut secara khusus 8 g untuk wafer stage dan 32 g untuk reticle stage.

Bayangkan sebentar: dalam mesin ini, sebuah corak dipindahkan dengan ketepatan nanometer sementara bahagian-bahagiannya bergerak dengan pecutan yang lebih kedengaran seperti sukan permotoran atau penerbangan. Namun penjajaran lapisan hanya boleh tersasar pada skala beberapa atom. Untuk ketepatan overlay ini, angka sekitar satu nanometer disebut, iaitu kira-kira lima atom silikon.

Gambar bulan dan syiling tadi juga sesuai sekali lagi di sini: jika kawalan cermin begitu halus sehingga sinar laser bayangan pada jarak bulan boleh membezakan antara dua sisi sekeping syiling, barulah kita mula memahami apa maksud ketepatan pikoradian. Mesin ini bukan sahaja mesti mencetak kecil. Ia mesti meletakkan lapisan demi lapisan berulang kali supaya ralat pada skala beberapa lapisan atom pun menjadi relevan.

Itulah titik sebenar High-NA: bukan sekadar mencetak lebih kecil, tetapi mencetak lebih kecil tanpa memusnahkan ekonomi pengeluaran.

Bagaimana satu langkah pendedahan sebenarnya berkait

Jika kita melihat mesin ini sebagai aliran kerja, ia menjadi sedikit lebih mudah dipegang.

Pertama datang wafer. Ia sebelum itu disediakan dalam sistem lain: dibersihkan, disalut, mungkin diberi lapisan bahan nipis dan disalut dengan photoresist. Proses sebelum dan selepas ini sama-sama sebahagian daripada pembuatan cip seperti litografi itu sendiri. Mesin ASML bukan keseluruhan fab, tetapi salah satu alat paling kritikal di dalamnya.

Kemudian datang mask. Di atasnya terdapat corak yang kemudian harus muncul pada wafer. Tetapi corak ini bukan sekadar lukisan naif bagi imej sasaran. Disebabkan pembelauan, kimia, tingkah laku resist dan herotan proses, corak langsung seperti itu akan mendarat salah. Sebab itu industri menggunakan computational lithography dan Optical Proximity Correction. Secara ringkas: mask sengaja dilukis “salah” supaya proses fizik akhirnya mencetak hasil yang betul.

Kemudian sumber cahaya menghasilkan foton EUV daripada plasma timah. Collector Mirror mengumpul sebanyak mungkin cahaya itu dan menghantarnya ke scanner.

Dalam illuminator, cahaya dibentuk. Selepas itu ia mengenai reticle. Kerana EUV tidak melalui mask seperti cahaya tampak melalui projektor slaid, reticle juga bersifat reflektif. Cahaya mengambil corak tersebut dan bergerak terus ke optik unjuran.

Di situlah pemetaan sebenar ke wafer berlaku. Cermin mengecilkan dan membetulkan imej. Pada High-NA, ini berlaku secara anamorfik, iaitu berbeza dalam dua arah. Pada masa yang sama, stage menggerakkan wafer supaya satu medan demi satu medan didedahkan.

Selepas pendedahan, photoresist dibangunkan. Bergantung pada jenis resist, kawasan yang didedahkan atau tidak didedahkan kekal. Selepas itu datang etching, deposition, doping, pembersihan dan langkah lain. Untuk lapisan seterusnya, kitaran bermula semula.

Kesukarannya bukan pada satu langkah tunggal, tetapi pada jumlah keseluruhannya:

• Cahaya EUV mesti cukup kuat.
• Cermin tidak boleh tercemar.
• Optik mesti kekal stabil.
• Wafer dan reticle mesti bergerak sangat pantas dan sangat tepat.
• Lapisan mesti sepadan antara satu sama lain dengan overlay nanometer.
• Semuanya mesti berjalan dalam persekitaran pengeluaran sebenar.

Setiap perkara ini sahaja sudah menjadi masalah kejuruteraan bertaraf dunia. ASML mesti menyelesaikan semuanya serentak.

Mengapa kisah ini begitu menarik

Yang memikat saya tentang ASML bukan hanya mesin itu sendiri, tetapi ketegangan dalam perkembangannya.

Selama berdekad-dekad, EUV bukan perkara yang pasti. Ada prototaip, tetapi terlalu sedikit cahaya. Ada sumber cahaya yang lebih baik, tetapi timah memusnahkan cermin. Ada cermin, tetapi tidak cukup throughput. Ada terobosan, tetapi pasaran terus menggerakkan garisan penamat kerana DUV dengan multi-patterning bertahan lebih lama daripada jangkaan.

Ini satu perkara penting: ASML tidak membina teknologi ini dalam makmal tenang dengan masa depan yang jelas. Syarikat itu perlu membina teknologi sementara pelanggan ragu-ragu, sasaran wafer sejam meningkat, kos meletup dan alternatif terus diperah sejauh mungkin.

Satu momen yang sangat melekat pada saya: ASML pada awal 2010-an belum sampai ke sasaran, tetapi sudah bekerja pada generasi seterusnya, High-NA. Itu sebenarnya gila. EUV semasa belum lagi kemas dalam pengeluaran, tetapi platform seterusnya yang lebih sukar sudah dimulakan.

Dari sudut pengurusan projek biasa, itu kedengaran tidak munasabah. Dari sudut teknologi, ia mungkin perlu. Jika kita hanya memulakan High-NA apabila Low-NA berjalan sempurna, kita akan terlambat sepuluh tahun.

Pertaruhan seperti ini selalu kelihatan logik apabila dilihat ke belakang. Dalam masa nyata, ia lebih kelihatan seperti kegilaan yang mempunyai bajet.

Intel, Samsung dan TSMC melabur secara langsung dalam ASML untuk menanggung pembangunan ini bersama-sama. Skalanya: kira-kira 4.1 bilion dolar daripada Intel dan tambahan 1.3 bilion dolar secara bersama daripada Samsung dan TSMC. Itu sahaja sudah menunjukkan betapa pusatnya mesin ini untuk masa depan industri. Tanpa EUV, Moore’s Law tidak semestinya mati begitu sahaja, tetapi kos dan kerumitan untuk penskalaan seterusnya akan menjadi jauh lebih keras.

Satu momen yang sangat kuat datang pada 2015: ASML akhirnya perlu menunjukkan 200 watt kuasa sumber EUV kepada pelanggan di Korea. Kesabaran sudah nipis. Ketika orang ASML menaiki kapal terbang, eksperimen itu masih berjalan. Ketika mereka mendarat, keputusan pertama sudah ada: 200 watt. Sedekat itulah teknologi ini pada titik pentingnya.

Dan sekarang, pada 2026, High-NA bukan lagi sekadar impian makmal. ASML telah menghantar sistem pertama, Intel telah membina sistem High-NA komersial pertama di Oregon, imec dan ASML bersama-sama mengendalikan makmal High-NA di Veldhoven, dan pada akhir 2025 ASML sudah melaporkan pendapatan untuk dua sistem High-NA.

Namun bahagian yang lebih realistik tetap penting: mesin 400 juta dolar tidak berjaya hanya kerana ia mengagumkan. Ia hanya berjaya jika di dalam fab ia menjadikan kiraan ekonominya lebih baik: lebih sedikit mask, lebih sedikit langkah proses, yield lebih baik, cycle time lebih pendek atau struktur baharu yang tidak boleh dibuat secara ekonomik dengan cara lain.

Dalam industri semikonduktor, sihir juga mesti bertahan di Excel.

Sudut pandang infrastruktur

Sebagai orang rangkaian dan keselamatan, saya secara automatik melihat kebergantungan. Dan pada ASML, kebergantungan itu hampir meresahkan.

ASML pada masa ini ialah satu-satunya penyedia sistem litografi EUV. DUV mempunyai persaingan, EUV hampir tidak. Pada masa yang sama, cip paling maju bergantung tepat pada teknologi ini. Ini melibatkan telefon pintar, pemecut AI, CPU pelayan, GPU, High-Bandwidth-Memory, teknologi rangkaian, automotif, penyelidikan dan aplikasi ketenteraan.

Ini menjadikan ASML sebuah syarikat infrastruktur, walaupun syarikat itu tidak mengendalikan talian internet dan tidak memiliki pusat data. Ia berada lebih dalam di dalam stack. Di bawah cloud. Di bawah AI. Di bawah telefon pintar. Di bawah hardware rangkaian. Di bawah hampir semua perkara yang menskalakan dunia digital hari ini.

Mesin itu sendiri juga ialah infrastruktur dalam bentuk ekstrem. Sistem High-NA terdiri daripada sekitar 100,000 bahagian, kira-kira 3,000 kabel, sekitar 40,000 skru dan kira-kira dua kilometer hos atau talian. Bergantung pada cara pengiraan, angka yang disebut ialah 800 pembekal global hingga 5,000 syarikat pembekal. Mesin High-NA terdiri daripada empat subsistem besar yang antara lain dibuat di Connecticut, Jerman, Belanda dan California. Bahagian-bahagian ini mula-mula pergi ke Veldhoven, dipasang dan diuji di sana, kemudian dibuka semula dan hanya selepas itu dihantar kepada pelanggan.

Pengangkutannya sahaja hampir menjadi kisah logistik tersendiri: sekitar tujuh Boeing 747, 25 hingga 30 lori dan, bergantung pada kiraan, kira-kira 250 kontena. Itu ialah angka pengangkutan untuk satu mesin sahaja.

Ini bukan mesin tunggal dalam erti klasik. Ia ialah ekosistem global yang dipadatkan menjadi sebuah mesin.

Dan tepat sebab itulah kawalan eksport, ketegangan geopolitik dan rantaian bekalan di sini bukan topik pinggiran. Sesiapa yang tidak mendapat EUV mesti cuba bersaing dengan teknik lebih lama, lebih banyak multi-patterning, lebih banyak usaha dan ekonomi yang lebih buruk. Itu boleh berfungsi untuk node tertentu, tetapi ia mengubah peraturan permainan.

Apa yang saya bawa pulang

Saya mahu menulis artikel ini kerana saya mahu memahami mesin ini. Bukan sepenuhnya, itu akan menjadi angkuh. Tetapi cukup supaya daripada “ini sihir” lahir satu model dalaman yang boleh dipegang.

Model saya sekarang kelihatan begini:

ASML High-NA EUV bukan mesin sihir. Ia ialah jawapan yang sangat konsisten terhadap satu had fizik.

Industri mahu struktur lebih kecil. Jadi ia memerlukan cahaya lebih pendek. Cahaya ini diserap oleh hampir semua perkara. Jadi dibina sistem vakum dengan optik cermin. Cermin hanya memantulkan sebahagian cahaya. Jadi diperlukan sumber yang lebih kuat. Sumber itu menghasilkan cahaya dengan menukar timah menjadi plasma. Timah mencemarkan cermin. Jadi diperlukan hidrogen, oksigen, aliran gas, sensor dan pembersihan. Optik menjadi lebih besar. Jadi diperlukan High-NA, pemetaan anamorfik, stage lebih pantas dan model pembetulan yang lebih baik. Dan kerana setiap lapisan mesti sepadan sempurna dengan lapisan sebelumnya, semuanya mesti dikawal pada skala nanometer.

Ini bukan satu idea genius tunggal. Ini ialah menara kemustahilan yang telah diselesaikan.

Mungkin itulah sebabnya mesin ini begitu menarik bagi saya. Ia menunjukkan sejauh mana manusia boleh pergi apabila sesuatu sasaran cukup penting dan ekonominya akhirnya cukup besar untuk membiayai perkara yang sebenarnya tidak munasabah.

Ia sedikit mengingatkan saya kepada makanan. Apabila kita mula berfikir dari mana makanan di pinggan datang, sesuatu yang biasa tiba-tiba menjadi gila semula. Terutamanya di Dubai, tempat hampir semuanya diimport dari seluruh dunia. Seketul strawberi atau tomato kelihatan mudah, sehingga kita berfikir tentang benih, air, baja, iklim, tuaian, rantaian sejuk, kawalan kualiti, pengangkutan, penyimpanan dan pasar raya. Pada akhirnya, sesuatu berada di atas pinggan hanya kerana ribuan langkah sebelumnya telah berfungsi.

Dengan cip, halnya serupa, cuma jauh lebih ekstrem. Saya menulis artikel ini pada peranti yang pemprosesnya dimungkinkan oleh rantaian pembuatan seperti ini. AI yang membantu di pusat data untuk membetulkan, menstruktur atau menterjemah berjalan pada cip yang pada gilirannya hanya mungkin wujud dalam bentuk ini melalui mesin seperti ini. Ini ialah rantaian bekalan teknikal yang begitu jauh di bawah kehidupan harian kita sehingga kita hampir tidak pernah melihatnya.

Roket kelihatan lebih spektakular. Kabel dasar laut lebih mudah dipegang. Rangkaian lebih biasa bagi saya. Tetapi mesin ini menyentuh sesuatu yang lain: ia terasa seperti titik di mana fizik, sains bahan, optik, mekatronik, perisian, kimia, supply chain dan kedegilan murni bertemu.

Dan ya, ia masih terasa seperti sihir.

Tetapi kini sedikit kurang seperti sihir yang tidak dijelaskan, dan lebih seperti jenis sihir yang muncul apabila ribuan jurutera yang sangat bagus selama berdekad-dekad enggan menerima bahawa sesuatu itu sepatutnya mustahil.

Jumpa lagi,
Joe