ASML High-NA EUV: Utengenezaji wa chip unapohisi kama uchawi

Kuna teknolojia ambazo hatimaye huwa za kawaida kiasi kwamba karibu tunasahau jinsi zilivyo za ajabu.

SpaceX sasa hutuma roketi kwenye obiti kwa wastani takriban kila baada ya siku mbili hadi mbili na nusu. Intaneti kutoka angani si hadithi ya science fiction tena, bali ni bidhaa yenye app, router na usajili wa kila mwezi. Tunabeba supercomputer mfukoni, tunastream video ndani ya treni, tunalipa bila kugusa, tunapiga simu kupitia mitandao ya IP na tunatarajia kila kitu kifanye kazi tu.

Kwa teknolojia nyingi kama hizi, angalau naweza kujenga picha ya kile kinachotokea ndani yake. Ninaelewa routing inavyofanya kazi, kwa nini nyaya za baharini ndizo uti wa mgongo halisi wa intaneti, na jinsi TCP, DNS, BGP, fiber optics, satellite links na firewalls zinavyoshirikiana. Hata kwa roketi na engines, video za kutosha, michoro ya kukata sehemu na fizikia hunisaidia kujenga picha ya kiakili. Si kwa kiwango cha engineer, lakini vya kutosha ili isiwe ya fumbo kabisa.

Kwa utengenezaji wa chip za kisasa, hali ni tofauti.

Bila shaka najua kwa ujumla kuwa chips hutengenezwa kwa silicon, kuwa transistors zinazidi kuwa ndogo, na kuwa wafers huangaziwa, huchongwa na hufunikwa kwa tabaka. Lakini mara tu unapoingia kweli kwenye ukubwa wa lithography ya kisasa, uelewa wangu hupinduka. Hapo hatuzungumzi tena kuhusu “kidogo”, bali kuhusu miundo iliyo mbali sana chini ya fikra zangu za kawaida kiasi kwamba yote huanza tena kuhisi kama uchawi.

Halafu kuna mashine hii ya ASML: High-NA EUV. Mfumo wa zaidi ya dola milioni 400. Mkubwa kuliko basi la ghorofa mbili. Mgumu kiasi kwamba husafiri duniani kwa modules, hukusanywa tena kwenye eneo la mteja, na unaweza kufanya kazi tu katika mazingira safi zaidi ambayo binadamu wanaweza kujenga. Mashine inayopiga matone madogo ya bati kioevu kwa lasers makumi ya maelfu ya mara kwa sekunde, kuzalisha mwanga wa extreme ultraviolet kutoka humo, na kutumia mwanga huo kuchapisha patterns kwenye wafers ambazo baadaye huwa CPUs, GPUs, AI accelerators na chips za smartphone.

Kuna wazo hili: kitu usichokielewa huonekana kama uchawi. Hivyo ndivyo EUV lithography inavyohisi kwangu. Lakini jambo la kuvutia ni hili: unapoanza kuielewa, haipungui uchawi. Badala yake, inakuwa ya ajabu zaidi.

Kwangu, picha hii inaonyesha vizuri kwa nini mashine hii inanivutia sana: ndani inaonekana kama kipande cha siku zijazo kilichofunguliwa, lakini kwa mteja baadaye husimama zaidi kama sanduku kubwa jeupe la viwandani ndani ya fab.

Namba chache ambazo lazima uzisome mara mbili

Kabla hata ya kuingia kwenye fizikia, inafaa kuangalia kwa kifupi ukubwa wa jambo hili. Si kwa sababu namba kubwa humaanisha teknolojia nzuri moja kwa moja, bali kwa sababu vinginevyo mashine hii hubaki ya kufikirika mno.

Mashine ya High-NA EUV haisafirishwi tu. Huundwa ASML, hukaguliwa na kuthibitishwa, huvunjwa tena, na husafirishwa kwa mteja ikiwa katika modules. Kulingana na namna ya kuhesabu, nyuma yake kuna takriban wasambazaji 800 hadi 5,000. Subsystems kubwa hutengenezwa katika nchi kadhaa, hukutana Veldhoven, na kisha husafiri kwenda kwenye fab: takriban containers 250, malori 25 hadi 30 na Boeing 747 saba kwa mashine moja tu.

Juu ya hayo kuna takriban sehemu 100,000, karibu screws 40,000, takriban cables 3,000 na zaidi ya kilomita mbili za nyaya, mabomba au hoses. Kuunganisha mashine kwa mteja kunahitaji zaidi ya miunganisho 2,000 ya umeme. Hiki si “kifaa” tena. Ni ecosystem ndogo ya viwanda ambayo kwa bahati ina kazi moja: kudhibiti mwanga kwa usahihi kiasi kwamba chips za kisasa zinaweza kuzaliwa kutokana nao.

Hata utengenezaji wenyewe hausikiki kama uhandisi wa kawaida wa mashine. Katika kiwanda cha EUV wanafanya kazi takriban watu 2,000, na hufanya hivyo 24/7. Mashine ya High-NA huhitaji takriban mwaka mmoja na nusu mpaka ijengwe, ijaribiwe na kuthibitishwa. Na hata hapo bado haijawa “tayari” kwa maana ya bidhaa unayoweka tu kwenye pallet. Huvunjwa tena na ndipo husafiri kwenda fab.

Hata mazingira yake ni ya kupita kiasi. Cleanroom ya ASML inaelezewa kuwa na kiwango cha juu cha takriban chembe 10 kwa mita ya ujazo katika ukubwa wa mikromita 0.1. Kwa kulinganisha, chumba safi sana cha upasuaji kiko karibu na chembe 10,000 kwa mita ya ujazo. Na hapa tunazungumzia chembe ndogo sana kuliko chavua au vumbi laini.

Ndani yake hali inakuwa ya ajabu zaidi. Mashine hupiga matone madogo ya bati yaliyo karibu na ukubwa wa seli ya damu. Kwa hilo, CO2 laser hupelekwa kupitia amplifiers kadhaa mpaka takriban wati 20,000. Matone haya hupigwa makumi ya maelfu ya mara kwa sekunde. Katika vyanzo vipya zaidi, kuna pulses tatu za laser kwa kila tone: kwanza kulipa umbo, kisha kulifanya jembamba, kisha kuligeuza kabisa kuwa plasma. Kwa matone 50,000 kwa sekunde, hilo kiakili ni mipigo sahihi 150,000 ya laser kwa sekunde. Na wazo zima si kupiga “mara nyingi”. Mfumo lazima uweze kuweka mipigo hiyo kwa uaminifu katika kiwango cha viwanda.

Mwendo ndani ya scanner pia ni wa ajabu. Reticle, yaani mask yenye pattern ya chip, haisogezwi taratibu. Accelerations ziko zaidi ya 20 g; kwa platform ya EXE, ASML hutaja hata 32 g kwa reticle stage. Hiyo ni sawa takriban na gari la mashindano linaloongeza mwendo kutoka 0 hadi 100 km/h kwa sekunde 0.09. Wakati huohuo, overlay ya tabaka za chip lazima iwe sahihi katika kiwango cha nanometer.

Na kisha kuna picha hii ambayo siwezi kuitoa kichwani: fikiria laser ndogo imekaa pembeni mwa kioo. Mwale unaenda mpaka Mwezini. Huko kuna sarafu. Udhibiti wa kioo ni mwembamba kiasi kwamba si tu unaweza “kuipiga sarafu” kwa ujumla, bali unaweza kuamua kama mwale utatua upande mmoja au upande mwingine wa sarafu. Huo ndio ukubwa wa udhibiti wa pembe, katika eneo la picoradian. Ulinganisho kama huu bila shaka ni urahisishaji. Lakini husaidia kuuhisi usahihi. Hatuzungumzii “usahihi mkubwa” kwa maana ya kawaida ya uhandisi wa mashine. Tunazungumzia mfumo wa viwanda ambapo hata kusogea kwa atomi chache tayari huwa muhimu.

Kile ASML inachojenga hasa

ASML haijengi chips. Hilo ni muhimu. ASML hujenga mashine ambazo kampuni kama TSMC, Samsung, Intel, SK hynix, Micron na nyingine hutumia kuweka patterns ndogo zaidi kwenye silicon wafers.

TSMC ni Taiwan Semiconductor Manufacturing Company. Watu wengi wanazifahamu Apple, Nvidia, AMD au Qualcomm kama chapa za chip. Mara nyingi TSMC ndiyo kiwanda kilicho nyuma yake: contract manufacturer anayebadilisha designs hizo kuwa chips halisi.

Chip ya kisasa kimsingi ni mji bandia wa switches za umeme: mji wa kompyuta wa ukubwa wa nanometer wenye tabaka nyingi na mamia ya kilomita za nyaya. Chini kabisa kuna mabilioni ya transistors. Juu yake kuna tabaka za nyaya, insulators, contacts na miundo midogo inayounganisha kila kitu. Baadhi ya chips zinaweza kuwa na hadi takriban tabaka 100, na kila tabaka lazima likalie lile la kabla kwa usahihi mkubwa sana. Ikiwa tabaka mbili zimesogea kidogo tu dhidi ya nyingine, chip si “mbaya kidogo” tu, bali inaweza kuwa taka.

Teknolojia kuu ya kufanya hilo inaitwa photolithography. Kwa kurahisisha sana, mzunguko mmoja huenda hivi:

1. Nyenzo huwekwa juu ya silicon wafer.
2. Juu yake huwekwa coating inayohisi mwanga, photoresist.
3. Mashine ya lithography hu-project pattern kwenye coating hii.
4. Eneo lililoangaziwa hubadilisha sifa zake za kikemia.
5. Baada ya hapo hufanyiwa developing, etching, coating au doping.
6. Mchakato hurudiwa kwa tabaka linalofuata.

Hiyo karibu inasikika ya kawaida sana: unachukua mwanga, mask na uso unaohisi mwanga. Kimsingi ni photography. Isipokuwa picha ya mwisho si picha, bali sehemu ya processor. Na “pixels” ziko katika viwango ambapo vumbi, joto, mtikisiko, molekuli za hewa, athari za pembeni za kemia na makosa madogo kabisa ya optics huwa wapinzani halisi.

Mashine za ASML ni mifumo ya projection. Mwanga hubeba pattern ya mask, pia huitwa reticle, kupitia optics hadi kwenye wafer. Optics hupunguza na kufocus pattern hiyo. Baada ya hapo mashine husogeza wafer mbele na kuangaza eneo linalofuata.

Kwa hiyo swali halisi ni hili: unaweza kuchapisha kidogo kiasi gani kwa kutumia mwanga?

Tatizo: Mwanga wakati fulani huwa mzito mno

Katika lithography kuna levers mbili kubwa: wavelength ya mwanga na numerical aperture ya optics. Wavelength fupi husaidia kuchapisha miundo midogo zaidi. Numerical aperture kubwa inamaanisha optics inaweza kukusanya na kufocus mwanga kutoka eneo pana zaidi la pembe. Hilo pia huboresha resolution.

Kwa muda mrefu, sekta ilifika mbali sana na DUV lithography. DUV ni Deep Ultraviolet. Mwanga wa argon fluoride wenye wavelength ya nanometer 193 ulikuwa muhimu sana. Kwa miaka mingi ulikuwa teknolojia ya kazi nzito kwa chips za juu. Kwa mbinu kama immersion lithography, masks bora, computational lithography na multi-patterning, sekta iliweza kutoa zaidi kutoka kwenye teknolojia hii kuliko ilivyoonekana kuwa ya busara.

Lakini wakati fulani mwanga huwa na wavelength ndefu mno kwa kile unachotaka kuchapisha. Miundo inapokaribia wavelength, mwanga huanza kudiffact, interference huwa muhimu kwa ukali, na pattern kwenye mask si tena kile kinachotua kwa usafi kwenye wafer.

Unaweza kufidia hilo kwa kiwango fulani kwa software, marekebisho ya mask na exposures nyingi. Hivyo ndivyo sekta ilivyofanya kwa miaka. Lakini multi-patterning ni ghali, polepole na inaongeza uwezekano wa makosa. Tabaka moja muhimu linapogeuka kuwa hatua mbili, tatu au nne za exposure, muda wa process, gharama za masks na risk zote hupanda. Kila hatua ya ziada ni nafasi nyingine ya kupoteza yield.

Kwa hiyo sekta ilihitaji mwanga mfupi zaidi.

EUV, Extreme Ultraviolet, hutumia nanometer 13.5. Hiyo ni zaidi ya mara 14 fupi kuliko 193-nm DUV, takriban upana wa nyuzi tano za DNA kando kwa kando. Kwa nadharia, hili hufanya iwezekane tena kuchapisha miundo midogo zaidi kwa kiasi kikubwa. Kwa vitendo, hapo ndipo huanza orodha ndefu ya matatizo yanayosikika ya ajabu kiasi kwamba unaelewa kwa nini watu wengi waliiona EUV kwa miongo kama kitu kisichowezekana.

Mwanga wa 13.5 nm humezwa na karibu kila kitu. Na hewa. Na kioo. Na lenses za kawaida. Na vioo vya kawaida. Huwezi kuupitisha tu kupitia optics nzuri. Mfumo mzima lazima ufanye kazi katika vacuum, na badala ya lenses unahitaji vioo maalum sana.

Kwa maneno mengine: ili kujenga chips ndogo zaidi, sekta ililazimika kubuni chanzo cha mwanga ambacho hakipo duniani kwa vitendo, kujenga optics iliyo laini kuliko kitu chochote ambacho watu wa kawaida wamewahi kugusa, na kisha kufanya yote hayo yawe thabiti kiasi cha kuingiza pesa kiwandani 24/7.

Huo ndio ulikuwa dau.

Dau refu la EUV

Historia haianzi na High-NA, bali na swali kama inawezekana kabisa kufanya lithography kwa mionzi yenye wavelength fupi kiasi hicho.

Katika miaka ya 1980, mtafiti wa Kijapani Hiroo Kinoshita alifanya kazi juu ya wazo la kuchapisha miundo kwa kutumia mionzi yenye wavelength fupi sana. Tatizo lilikuwa wazi mara moja: mwanga kama huo hauwezi kuongozwa kwa lenses za kawaida. Humezwa. Suluhisho lingeweza kuwa kupitia vioo tu, lakini si vioo vya kawaida; bali multilayer mirrors, ambavyo vina tabaka nyingi nyembamba sana zilizopangwa ili mawimbi yaliyo-reflectiwa yajumlishwe kwa namna yenye kujenga.

Kinoshita aliweza kutengeneza picha za kwanza, lakini mwanzoni hakuchukuliwa kwa uzito. Shaka haikuwa ujinga tu. Ilikuwa inaeleweka kiteknolojia. Chanzo cha mwanga kilikuwa dhaifu mno. Vioo vilikuwa vigumu mno. Mashine zingekuwa polepole mno. Na kila moja ya pointi hizi peke yake ingetosha kuua bidhaa.

Sambamba na hilo, maabara za taifa za Marekani, ikiwemo Lawrence Livermore, zilifanya kazi kwenye teknolojia za X-Ray na zilizo karibu na EUV, awali kwa sababu nyingine kabisa. Utafiti kutoka mazingira ya fizikia ya fusion na silaha ulileta maarifa kuhusu multilayer mirrors na mionzi yenye wavelength fupi. Kisha likaja swali kama maarifa hayo yangeweza kutumika kwa kitu cha manufaa. Kutokana na hapo ndipo mojawapo ya njia za mapema kuelekea EUV lithography ilizaliwa.

Katika miaka ya 1990, EUV ikawa mradi halisi wa sekta. US labs, Bell Labs, Intel, Motorola, AMD na wengine walihusika. Baada ya ufadhili wa serikali kuondoka, makampuni ya chip yaliendelea kuwekeza yenyewe, kwa sababu wote waliona: ikiwa 193-nm lithography haitatosha tena siku moja, jibu jipya litahitajika.

Karibu mwaka 2000 kulikuwa na prototype muhimu, Engineering Test Stand. Ilionyesha kuwa EUV inaweza kimsingi kuchapisha patterns. Test stand hii ilizalisha watts 9.8 za mwanga wa EUV na iliweza kuchapisha miundo ya nanometer 70. Lakini haikuwa karibu kabisa na kasi inayohitajika. Takriban wafers kumi kwa saa ni mafanikio ya maabara. Fab halisi inahitaji mamia ya wafers kwa saa, mchana na usiku, ikiwa na upatikanaji mkubwa, yield inayofaa na gharama zinazodhibitika.

Hapo ndipo sayansi inapotengana na industrialization. Ushahidi wa maabara ni jambo moja. Mashine ambayo mtengenezaji wa chip anaipanga ndani ya roadmap yake ya uwekezaji wa mabilioni ni kitu kingine kabisa.

Kikwazo kikatili sana kilikuwa bajeti ya mwanga. Vioo vya EUV havi-reflect kila kitu. Mwanga unapopita kwenye vioo kadhaa na reticle, baada ya kila mguso hubaki mdogo zaidi. Kwa reflectivity ya takriban asilimia 70 kwa kila kioo, baada ya reflections nyingi hubaki asilimia chache tu ya photons. Ndiyo maana chanzo cha mwanga hakikuwa component tu. Kilikuwa tofauti kati ya “jaribio la kuvutia” na “mashine inayotumika viwandani”.

Kampuni nyingi ziliacha au kupoteza imani. Mwishowe aliyebaki zaidi alikuwa ASML.

Hilo ni la kushangaza, kwa sababu ASML yenyewe ilianza ikiwa ndogo: spin-off ya Philips nchini Uholanzi, mwanzoni ikiwa zaidi dau linaloyumba kuliko monopolist wa kimataifa. Lakini ASML ilikuwa na vitu viwili: focus kali sana kwenye lithography na utayari wa kubeba risk pamoja na washirika. ZEISS ilichukua optics. ASML iliunganisha mfumo. Baadaye, teknolojia muhimu zinazohusu chanzo cha mwanga pia zilivutwa karibu zaidi na dunia ya ASML.

EUV haikuwa uvumbuzi mmoja. EUV ilikuwa mnyororo wa maelfu ya matatizo ya aina ya “karibu haiwezekani, lakini labda inawezekana”.

Kama nyongeza kwa historia hii ya maendeleo, utangulizi huu wa kina unafaa zaidi hapa:

Mambo ya kiufundi yaliyoonekana hayawezekani

Tatizo 1: Unajengaje jua ndani ya mashine?

Mwanga wa EUV wenye nanometer 13.5 hauzalishwi kwa taa ya kawaida.

ASML hutumia chanzo cha Laser-Produced-Plasma. Kwa kanuni ya msingi, matone madogo ya bati kioevu huzalishwa. ASML inaeleza hadharani matone ya bati yenye ukubwa wa takriban mikromita 25, yanayotoka kwenye generator kwa karibu mita 70 kwa sekunde. Hiyo ni takriban 250 km/h. Matone haya hupigwa makumi ya maelfu ya mara kwa sekunde na pulses za laser.

Pulse ya kwanza hulifanya tone kuwa bapa, karibu kama pancake ndogo sana. Baada ya hapo pulse yenye nguvu zaidi hulipiga bati na kulibadilisha kuwa plasma ya moto. Katika maelezo mapya zaidi kuhusu mashine za sasa, mfuatano wa pulses unaelezwa kwa undani zaidi: pre-pulse, pre-pulse nyingine ya kulifanya wingu la bati kuwa jembamba, kisha main pulse. Mipigo mitatu hutokea ndani ya takriban microseconds 20. Kusudi hubaki lilelile: kupata mwanga mwingi wa EUV unaotumika kutoka kwenye bati kadiri iwezekanavyo.

Plasma hiyo ni ya moto kwa namna isiyofikirika: takriban nyuzi 220,000 Celsius au Kelvin, kwa maneno mengine karibu mara 40 zaidi ya uso wa Jua. Kutoka kwenye plasma hii hutokea photons zenye wavelength ya EUV inayotakiwa.

Hilo peke yake tayari ni la ajabu. Lakini haitoshi kupiga tone moja mara moja. Mashine lazima ifanye hivyo kila wakati. Mara 50,000 kwa sekunde. Ikiwa pulses tatu zinahitajika kwa kila tone, unafika kwenye pulses 150,000 za laser kwa sekunde ambazo lazima zilingane kwa muda na nafasi. Katika roadmaps na kauli mpya zaidi, mada inaelekea hata kwenye matone 60,000 na baadaye 100,000 kwa sekunde.

Na matone haya hayawezi kuwa popote tu. Lazima yawe na ukubwa uleule, kasi ileile na yawe mahali sahihi kwa wakati sahihi. Mashine huyatazama, huhesabu njia yao ya kuruka na hufyatua laser ili pulse ipige kwa usahihi. Picha yake: mpira wa golf unaopaswa kuingia kwenye shimo la mbali wakati wa dhoruba, kila mara, bila kukosa.

Hii kwangu ni mojawapo ya sehemu ambazo kichwa changu husimama kwa muda. Si kwa sababu kanuni haieleweki, bali kwa sababu uwezo wa kurudia jambo hili viwandani ni wa kushangaza sana. Jaribio linaweza kuwa spectacular. Mashine ya fab lazima iwe boringly reliable.

Tatizo 2: Bati ni suluhisho na wakati huo huo adui

Kwa nini bati?

Vyanzo vya mapema vya EUV vilitumia, miongoni mwa vingine, xenon. Ilifanya kazi, lakini efficiency ilikuwa mbaya. Sehemu kubwa ya nishati haikuishia kwenye mionzi ya 13.5 nm inayotakiwa. Bati linafaa zaidi, kwa sababu linaweza kuzalisha mwanga wa EUV kwa ufanisi mkubwa zaidi katika eneo hili.

Lakini bati huleta tatizo jipya: nyenzo hiyo inaenda wapi?

Hilo linasikika la kawaida, lakini ni tatizo la kuwepo kwa mashine. Tayari nanometer moja ya bati juu ya Collector Mirror inaweza kutosha kuifanya kioo hicho kiache kazi. Wakati huohuo, katika maisha ya chanzo si kiasi cha mfano kinachopita kwenye mfumo, bali bati halisi nyingi. Kwa hiyo kioo lazima kibaki karibu safi kabisa, ingawa karibu yake kabisa kuna milipuko midogo ya plasma ya bati mara 50,000 kwa sekunde.

Hawapigi matone haya kwa mfano tu. Wanayavukiza na kuyapasua. Lakini karibu kabisa kuna Collector Mirror, kioo ghali sana na dhaifu sana ambacho lazima kikusanye mwanga wa EUV. Bati likijikusanya hapo, source hupoteza efficiency. Kioo kikichafuka mno, mashine husimama.

Kwa hiyo ASML ilibidi si tu izalishe mwanga, bali pia izuie chanzo chake cha mwanga kujiharibu chenyewe.

Sehemu ya suluhisho ni hidrojeni. Ndani ya source chamber kuna hidrojeni katika pressure ya chini. Hupunguza kasi na kupoza mabaki ya bati na husaidia kubadilisha bati kikemia kuwa compounds za gesi zinazoweza kutolewa nje. Lakini hata hilo si ujanja rahisi wa filter. Milipuko midogo ya plasma huipasha hidrojeni joto na kuzalisha shock waves. Unaweza kufikiria kama mini-supernovae zinazotokea mara 50,000 kwa sekunde ndani ya chombo. Engineers walilazimika kuelewa ni nishati kiasi gani inaingia kwenye gesi, inapaswa kutiririka kwa kasi gani, na jinsi ya kupata ulinzi wa kutosha bila kumeza tena mwanga mwingi wa EUV.

Hii inaonyesha vizuri jinsi uchawi usivyo wa kimapenzi katika vitendo. Hakuna mchawi anayekaa kwenye lever. Kuna engineers mbele ya data za vipimo, wanaona shock waves kwenye gesi, wanazilinganisha na formulas kutoka fizikia ya milipuko na kugundua: lazima tusukume hidrojeni kupitia mfumo huu kwa kasi za kipuuzi. Ukubwa wake uko karibu na 360 km/h ya mtiririko wa gesi, yaani zaidi ya hurricane ya Category 5, hata kama density ndani ya mfumo bila shaka ni ndogo sana.

Na hata hilo halikutatua kila kitu. Kikwazo kingine kilikuwa kwamba Collector bado ilidegrade haraka sana licha ya hidrojeni. Breakthrough ilitoka kwenye observation moja: mashine ilipofunguliwa, kioo kilionekana kuwa safi zaidi. Sababu ilikuwa oksijeni. Kwa hiyo wakajaribu kiasi kidogo sana cha oksijeni ndani ya mfumo, cha kutosha kuboresha mchakato wa kusafisha, lakini si kingi kiasi cha kuharibu vacuum system na EUV transmission.

Hii ndiyo aina ya engineering ninayoipenda: wazo kubwa ni muhimu, lakini mwishowe mara nyingi hushinda mtu anayechukulia detail ya ajabu kwa uzito.

Tatizo 3: Vioo ambavyo havikupaswa kuwepo

EUV haipiti kupitia lenses za kioo. Kwa hiyo EUV lithography hufanya kazi kwa kutumia vioo.

Lakini hata vioo havi-reflect EUV kama kioo cha bafuni kinavyoreflect mwanga unaoonekana. Vioo vya EUV vinaundwa kwa mifumo ya tabaka sahihi sana, kawaida molybdenum na silicon. Tabaka nyingi nyembamba sana hupangwa ili zi-reflect mwanga mwingi iwezekanavyo hasa kwenye nanometer 13.5.

Hata hivyo, kioo kimoja hu-reflect sehemu tu ya mwanga. Mwanga unapo-reflectiwa mara nyingi, nguvu inayobaki hupungua haraka. Ndiyo maana chanzo cha mwanga kilikuwa kikwazo kwa muda mrefu. Mwanga mwingi zaidi mwanzoni unamaanisha mwanga unaotumika zaidi kwenye wafer.

Nyuso za vioo hivi pia lazima ziwe laini kwa kiwango cha kikatili. ASML huzungumzia kwa vioo vya kisasa vya EUV ulaini katika kiwango cha makumi ya picometers. Kioo cha kawaida cha nyumbani, kwa kulinganisha, ni kibaya sana: kwa maana ya mfano, kina roughness ya maelfu ya atomi za silicon, wakati vioo vya mapema vya EUV vilipaswa kuwa laini katika kiwango cha atomu.

Ulinganisho wa ukubwa unabaki kichwani: ikiwa kioo cha Low-NA EUV kingekuzwa hadi ukubwa wa Ujerumani, sehemu yake ya juu zaidi isiyosawazika ingekuwa takriban milimita moja. Kwa High-NA, picha inakuwa kali zaidi: ikiwa kioo kingekuwa kikubwa kama Dunia, sehemu yake ya juu zaidi isiyosawazika ingekuwa takriban unene wa kadi ya kuchezea.

Hilo linasikika kama marketing, lakini nyuma yake kuna fizikia ngumu. Kwa wavelength ya 13.5 nm, kasoro ndogo si “mkwaruzo”. Huitawanya mwanga, hula contrast na kuharibu picha. Vioo si lazima viwe laini tu, lazima pia vidhibitiwe kwa nafasi, umbo na joto.

ZEISS ina jukumu kuu hapa. Kwa High-NA EUV, optics zimekuwa kubwa na nzito zaidi. ZEISS inaeleza projection optics za High-NA kuwa na zaidi ya sehemu 40,000 na uzito wa takriban tani kumi na mbili. Hiyo ni mara saba ya volume na uzito wa projection optics za EUV zilizozoeleka. Wakati huohuo, vipengele vya optics binafsi lazima vilinganishwe na kudhibitiwa kwa usahihi wa nanometer.

Hii ndiyo mind-bender inayofuata: unajenga kitu kikubwa sana ili kuchapisha kitu kidogo sana.

Jinsi mashine inavyofanya kazi

Kwa mtiririko wa kiufundi wenyewe, video rasmi ya ASML inafaa kabisa hapa. Inaonyesha platform ya High-NA, anamorphic optics, stages zenye kasi zaidi na kwa nini TWINSCAN EXE ilijengwa kwa vizazi vijavyo vya chips.

High-NA inabadilisha nini ukilinganisha na EUV ya kawaida

Mashine za kwanza za kibiashara za EUV kutoka ASML, mifumo ya NXE, hufanya kazi kwa numerical aperture ya 0.33. High-NA, yaani platform ya EXE, huongeza NA hii hadi 0.55.

Wazo nyuma yake kwa mtazamo wa optics ni rahisi: NA kubwa hukamata mwanga kutoka eneo pana zaidi la pembe. Kwa hivyo mfumo unaweza kuonyesha details ndogo zaidi. ASML inatoa resolution ya 8 nm kwa TWINSCAN EXE:5000. Hilo linapaswa kuwezesha miundo ya single-exposure iliyo mara 1.7 ndogo kuliko mifumo ya NXE, na hivyo transistor densities kubwa zaidi kwa kiasi kikubwa.

Lakini hapa pia kikwazo huja mara moja.

Mwanga unapopiga reticle kwa pembe kubwa zaidi, matatizo mapya hutokea. Reticle hu-reflect vibaya zaidi katika pembe hizi, na suluhisho rahisi la “tuifanye kila kitu kuwa kikubwa” lingevunja infrastructure yote ya masks ya sekta. Suluhisho linaitwa anamorphic optics.

Badala ya kupunguza pattern kwa usawa katika pande zote mbili, High-NA hupunguza tofauti: 4x katika mwelekeo mmoja na 8x katika mwingine. Hivyo unaweza kuendelea kufanya kazi na ukubwa wa jadi wa reticle na bado kupata faida za NA ya juu.

Gharama yake: exposure field ni ndogo zaidi. Kwa kila wafer zinahitajika exposures nyingi zaidi. Ili hilo libaki la kiuchumi, wafer stages na reticle stages zilipaswa kuwa na kasi kubwa zaidi. ASML hutaja zaidi ya wafers 185 kwa saa kwa EXE:5000 na roadmap kuelekea wafers 220 kwa saa. Accelerations ziko zaidi ya 20 g; kwa platform ya EXE, ASML hutaja mahsusi 8 g kwa wafer stage na 32 g kwa reticle stage.

Lazima ufikirie hilo kwa muda mfupi: ndani ya mashine hii, pattern huhamishwa kwa usahihi wa nanometer, wakati sehemu zinasonga kwa accelerations zinazosikika zaidi kama motorsport au aviation. Na bado overlay ya tabaka haipaswi kukosea zaidi ya atomi chache. Kwa usahihi huu wa overlay hutajwa takriban nanometer moja, yaani karibu atomi tano za silicon.

Picha ya Mwezi na sarafu pia inafaa tena hapa: ikiwa udhibiti wa vioo ni mwembamba kiasi kwamba mwale wa laser wa kufikirika kwa umbali wa Mwezi unaweza kutofautisha upande mmoja wa sarafu na mwingine, unaanza kuelewa maana ya usahihi wa picoradian. Mashine haipaswi tu kuchapisha kidogo. Lazima iweke tabaka juu ya tabaka tena na tena kwa namna ambayo kosa katika kiwango cha tabaka chache za atomu huwa muhimu.

Hiyo ndiyo pointi halisi ya High-NA: si kuchapisha kidogo tu, bali kuchapisha kidogo bila kuharibu uchumi wa uzalishaji.

Jinsi hatua ya exposure inavyoungana kweli

Ukiitazama mashine kama mtiririko, inakuwa ya kushikika kidogo zaidi.

Kwanza kuna wafer. Ilikuwa imetayarishwa kabla katika mitambo mingine: kusafishwa, kufunikwa, labda kupewa tabaka nyembamba za nyenzo na kupakwa photoresist. Michakato hii ya kabla na baada ni sehemu ya utengenezaji wa chip kama lithography yenyewe. Mashine ya ASML si fab yote, bali ni mojawapo ya tools muhimu zaidi ndani yake.

Kisha kuna mask. Juu yake kuna pattern ambayo baadaye inapaswa kuonekana kwenye wafer. Lakini pattern hii si mchoro rahisi wa moja kwa moja wa picha inayotakiwa. Kwa sababu ya diffraction, kemia, tabia ya resist na distortions za process, pattern ya moja kwa moja ingetua vibaya. Ndiyo maana sekta hutumia Computational Lithography na Optical Proximity Correction. Kwa kurahisisha: mask huchorwa kwa makusudi “vibaya” ili process ya fizikia mwishowe ichapishe matokeo sahihi.

Kisha chanzo cha mwanga huzalisha EUV photons kutoka plasma ya bati. Collector Mirror hukusanya mwanga mwingi iwezekanavyo na kuutuma mbele ndani ya scanner.

Katika illuminator, mwanga hupewa umbo. Baada ya hapo hugonga reticle. Kwa sababu EUV haipiti kwenye mask kama mwanga unaoonekana unavyopita kwenye slide projector, reticle pia ni reflective. Mwanga hubeba pattern na kwenda mbele kwenye projection optics.

Huko ndipo picha halisi huwekwa kwenye wafer. Vioo hupunguza na kusahihisha picha. Kwa High-NA hilo hutokea kwa njia ya anamorphic, yaani tofauti katika pande mbili. Wakati huohuo stage husogeza wafer ili field moja baada ya nyingine iangaziwe.

Baada ya exposure, photoresist hufanyiwa developing. Kulingana na aina ya resist, sehemu zilizoangaziwa au zisizoangaziwa ndizo hubaki. Baada ya hapo hufuata etching, deposition, doping, kusafisha na hatua nyingine. Kwa tabaka linalofuata, mzunguko huanza tena.

Ugumu hauko katika hatua moja tu, bali katika jumla yake:

• Mwanga wa EUV lazima uwe na nguvu ya kutosha.
• Vioo havipaswi kuchafuka.
• Optics lazima ibaki thabiti.
• Wafer na reticle lazima visogee kwa kasi kubwa sana na kwa usahihi mkubwa sana.
• Tabaka lazima zilingane juu kwa juu kwa nanometer overlay.
• Yote haya lazima yafanye kazi katika mazingira halisi ya uzalishaji.

Kila pointi peke yake ingekuwa tatizo la engineering la kiwango cha dunia. ASML lazima iyatatue yote kwa wakati mmoja.

Kwa nini story hii inavutia sana

Kinachonivutia kuhusu ASML si mashine yenyewe tu, bali mvutano ndani ya maendeleo yake.

Kwa miongo mingi, EUV haikuwa jambo la uhakika. Kulikuwa na prototypes, lakini mwanga haukutosha. Kulikuwa na vyanzo bora vya mwanga, lakini bati liliharibu vioo. Kulikuwa na vioo, lakini throughput haikutosha. Kulikuwa na breakthroughs, lakini soko liliendelea kusogeza mstari wa mwisho, kwa sababu DUV na multi-patterning ilidumu kwa muda mrefu kuliko ilivyotarajiwa.

Hii ni pointi muhimu: ASML haikufanya kazi kwenye future iliyo wazi ndani ya maabara tulivu. Kampuni ililazimika kujenga teknolojia wakati wateja walikuwa na shaka, malengo ya wafers-per-hour yalikuwa yakipanda, gharama zilikuwa zikilipuka na alternatives ziliendelea kukamuliwa zaidi.

Ninakumbuka hasa moment hii: mwanzoni mwa miaka ya 2010, ASML ilikuwa bado haijafika mwisho, lakini tayari ilifanya kazi kwenye kizazi kinachofuata, High-NA. Hilo kwa kweli ni la ajabu. EUV ya sasa bado haikuwa imekaa vizuri katika production, lakini tayari unaanza platform inayofuata iliyo ngumu zaidi.

Kwa mtazamo wa kawaida wa project management, hilo linasikika lisilo na busara. Kwa mtazamo wa teknolojia, pengine lilikuwa muhimu. Ukianza High-NA baada ya Low-NA kufanya kazi kikamilifu, unachelewa miaka kumi.

Aina hii ya dau huonekana ya kimantiki kila mara ukiitazama nyuma. Katika wakati halisi huonekana zaidi kama wazimu wenye bajeti.

Intel, Samsung na TSMC waliwekeza moja kwa moja katika ASML ili kubeba maendeleo haya pamoja. Ukubwa wake: takriban dola bilioni 4.1 kutoka Intel na kwa pamoja dola bilioni 1.3 nyingine kutoka Samsung na TSMC. Hilo peke yake linaonyesha jinsi mashine hii ilivyokuwa ya msingi kwa future ya sekta. Bila EUV, Moore’s Law isingekufa tu moja kwa moja, lakini gharama na complexity ya scaling zaidi zingekuwa kali zaidi.

Moment moja kali sana ilikuja mwaka 2015: ASML ililazimika hatimaye kuwaonyesha wateja Korea wati 200 za nguvu ya chanzo cha EUV. Uvumilivu ulikuwa umekonda. Watu wa ASML walipopanda ndege, experiment ilikuwa bado inaendelea. Waliposhuka, matokeo ya kwanza yalikuwa tayari: wati 200. Teknolojia hii ilikuwa karibu kiasi hicho katika maeneo muhimu.

Na sasa, mwaka 2026, High-NA si ndoto ya maabara tena. ASML imeshapeleka mifumo ya kwanza, Intel imejenga mfumo wa kwanza wa kibiashara wa High-NA huko Oregon, imec na ASML wanaendesha pamoja maabara ya High-NA huko Veldhoven, na ASML tayari ilionyesha mapato kwa mifumo miwili ya High-NA mwishoni mwa 2025.

Hata hivyo, sehemu ya utulivu ni muhimu: mashine ya dola milioni 400 haifanikiwi kwa sababu inavutia. Hufanikiwa tu ikiwa ndani ya fab inaboresha hesabu: masks chache, process steps chache, yield bora, cycle time fupi au miundo mipya ambayo vinginevyo isingewezekana kiuchumi.

Hata uchawi lazima uokoke Excel katika sekta ya semiconductors.

Mtazamo wa miundombinu

Kama mtu wa network na security, moja kwa moja huangalia dependencies. Na kwa ASML, dependency hiyo karibu inatia wasiwasi.

Kwa sasa ASML ndiye mtoa huduma pekee wa mifumo ya EUV lithography. DUV ina ushindani, EUV kwa vitendo haina. Wakati huohuo, chips za juu zaidi hutegemea teknolojia hii hasa. Hii inahusu smartphones, AI accelerators, server CPUs, GPUs, High-Bandwidth-Memory, teknolojia ya mitandao, automotive, utafiti na matumizi ya kijeshi.

Hilo linaifanya ASML kuwa kampuni ya miundombinu, hata kama kampuni haiendeshi nyaya za intaneti wala kumiliki data centers. Iko chini zaidi kwenye stack. Chini ya cloud. Chini ya AI. Chini ya smartphone. Chini ya network hardware. Chini ya karibu kila kitu kinachoscale kidijitali leo.

Mashine yenyewe pia ni miundombinu kwa kiwango cha juu. Mfumo mmoja wa High-NA una takriban sehemu 100,000, karibu cables 3,000, takriban screws 40,000 na karibu kilomita mbili za hoses au nyaya. Kulingana na namna ya kuhesabu, kuna mazungumzo ya wasambazaji 800 duniani hadi makampuni 5,000 ya usambazaji. Mashine ya High-NA ina subsystems nne kubwa zinazotengenezwa, miongoni mwa maeneo mengine, Connecticut, Ujerumani, Uholanzi na California. Sehemu hizi huenda kwanza Veldhoven, hukusanywa na kujaribiwa huko, kisha huvunjwa tena na ndipo husafirishwa kwa mteja.

Usafirishaji peke yake karibu ni hadithi yake ya logistics: takriban Boeing 747 saba, malori 25 hadi 30 na kulingana na hesabu karibu containers 250. Hizi ndizo namba za usafirishaji kwa mashine moja tu.

Hii si mashine moja kwa maana ya kawaida. Ni ecosystem ya kimataifa iliyobanwa ndani ya mashine.

Na ndiyo maana export controls, mvutano wa kijiografia na supply chains hapa si mada za pembeni. Yeyote asiyepata EUV lazima ajaribu kuendelea kwa mbinu za zamani, multi-patterning zaidi, juhudi zaidi na uchumi mbaya zaidi. Hilo linaweza kufanya kazi kwa nodes fulani, lakini linabadilisha rules za mchezo.

Ninachochukua kutoka hapa

Nilitaka kuandika makala hii kwa sababu nilitaka kuielewa mashine hii. Si kikamilifu, hilo lingekuwa kujidai. Lakini vya kutosha ili “hii ni uchawi” igeuke kuwa model ya ndani inayoweza kusimama.

Model yangu sasa inaonekana hivi:

ASML High-NA EUV si mashine ya uchawi. Ni jibu kali sana na lenye msimamo kwa kikomo cha fizikia.

Watu walitaka miundo midogo zaidi. Kwa hiyo walihitaji mwanga mfupi zaidi. Mwanga huo humezwa na karibu kila kitu. Kwa hiyo wakajenga vacuum system yenye mirror optics. Vioo hu-reflect sehemu tu ya mwanga. Kwa hiyo walihitaji source yenye nguvu zaidi. Source huzalisha mwanga kwa kubadilisha bati kuwa plasma. Bati huchafua vioo. Kwa hiyo unahitaji hidrojeni, oksijeni, mtiririko wa gesi, sensors na kusafisha. Optics inakuwa kubwa zaidi. Kwa hiyo unahitaji High-NA, anamorphic imaging, stages zenye kasi zaidi na correction models bora zaidi. Na kwa sababu kila tabaka lazima lilingane kikamilifu na lililotangulia, kila kitu lazima kidhibitiwe katika kiwango cha nanometer.

Hili si wazo moja la kigenius. Ni mnara wa mambo yaliyotatuliwa ambayo yalionekana hayawezekani.

Labda hiyo ndiyo sababu hasa mashine hii inanivutia sana. Inaonyesha binadamu wanaweza kwenda mbali kiasi gani pale lengo linapokuwa muhimu vya kutosha na uchumi hatimaye unakuwa mkubwa vya kutosha kufadhili kile kinachoonekana hakina busara.

Inanikumbusha kidogo chakula. Ukianza kufikiria chakula kwenye sahani kimetoka wapi, kitu cha kila siku ghafla huwa cha ajabu tena. Hasa hapa Dubai, ambako karibu kila kitu huagizwa kutoka dunia nzima. Strawberry au nyanya huonekana rahisi, mpaka ufikirie kuhusu mbegu, maji, mbolea, hali ya hewa, mavuno, cold chain, quality control, usafiri, uhifadhi na supermarket. Mwishowe kuna kitu kwenye sahani kinachoonekana cha kawaida tu kwa sababu maelfu ya hatua kabla yake zilifanya kazi.

Kwa chips ni sawa, lakini kwa kiwango kikali zaidi. Ninaandika makala hii kwenye kifaa ambacho processors zake ziliwezekana kupitia minyororo ya utengenezaji kama hii. AI inayosaidia kwenye data center katika kusahihisha, kupanga au kutafsiri inaendeshwa kwenye chips ambazo kwa upande wake zinawezekana katika umbo hili kupitia mashine kama hizi. Ni supply chain ya kiufundi iliyo chini sana ya maisha yetu ya kila siku kiasi kwamba karibu hatuiioni.

Roketi huonekana spectacular zaidi. Nyaya za baharini ni rahisi zaidi kushika akilini. Mitandao ni ya kawaida zaidi kwangu. Lakini mashine hii inagusa kitu kingine: inahisi kama pointi ambapo fizikia, materials science, optics, mechatronics, software, kemia, supply chain na ukaidi mtupu vinakutana.

Na ndiyo, bado inaonekana kama uchawi.

Lakini sasa ni kidogo chini ya uchawi usioelezeka, na zaidi kama aina ya uchawi inayotokea pale maelfu ya engineers wazuri sana wanapokataa kwa miongo kukubali kuwa kitu fulani kinapaswa kuwa haiwezekani.

Tutaonana wakati ujao,
Joe wenu