ASML High-NA EUV: جب چپ سازی جادو جیسی لگتی ہے

کچھ ٹیکنالوجیز ایک وقت کے بعد اتنی معمول کی لگنے لگتی ہیں کہ ہم تقریباً بھول جاتے ہیں کہ وہ اصل میں کتنی عجیب ہیں۔

SpaceX اب اوسطاً ہر دو سے ڈھائی دن میں ایک راکٹ مدار میں بھیج دیتا ہے۔ خلا سے انٹرنیٹ اب سائنس فکشن نہیں، بلکہ app، router اور ماہانہ subscription والی ایک product ہے۔ ہم جیب میں supercomputer رکھتے ہیں، train میں videos stream کرتے ہیں، contactless payment کرتے ہیں، IP networks پر call کرتے ہیں، اور توقع رکھتے ہیں کہ سب کچھ بس چلتا رہے۔

ان میں سے بہت سی technologies کے بارے میں میں کم از کم تصور کر سکتا ہوں کہ اندر اصل میں کیا ہو رہا ہے۔ مجھے سمجھ آتی ہے کہ routing کیسے کام کرتی ہے، submarine cables internet کی اصل backbone کیوں ہیں، اور TCP، DNS، BGP، fiber optics، satellite links اور firewalls کس طرح ایک دوسرے کے ساتھ کام کرتے ہیں۔ Rockets اور engines کے بارے میں بھی کافی videos، cutaway drawings اور physics سے ایک ذہنی تصویر بن سکتی ہے۔ engineer-level نہیں، مگر اتنی ضرور کہ بات مکمل طور پر پراسرار نہ رہے۔

جدید chip manufacturing میں معاملہ مختلف ہے۔

مجھے ظاہر ہے roughly معلوم ہے کہ chips silicon سے بنتی ہیں، transistors چھوٹے ہوتے جاتے ہیں، wafers expose، etch اور coat کیے جاتے ہیں۔ لیکن جیسے ہی بات modern lithography کے حقیقی scale تک پہنچتی ہے، میری سمجھ پھسلنے لگتی ہے۔ پھر ہم صرف “چھوٹا” نہیں کہہ رہے ہوتے، بلکہ ایسے structures کی بات کر رہے ہوتے ہیں جو میری عام تصوراتی حد سے اتنے نیچے ہیں کہ سارا عمل دوبارہ جادو جیسا محسوس ہونے لگتا ہے۔

اور پھر ASML کی یہ machine سامنے آتی ہے: High-NA EUV۔ 400 million dollars سے زیادہ کی ایک system۔ double-decker bus سے بڑی۔ اتنی complex کہ modules کی صورت میں دنیا بھر میں سفر کرتی ہے، customer site پر دوبارہ assemble ہوتی ہے، اور صرف ان سب سے صاف environments میں کام کر سکتی ہے جو انسان بنا سکتے ہیں۔ ایک machine جو liquid tin کے microscopic droplets کو ہر second دسیوں ہزار بار lasers سے hit کرتی ہے، اس سے extreme ultraviolet light پیدا کرتی ہے، اور اسی light سے wafers پر patterns چھاپتی ہے، جن سے بعد میں CPUs، GPUs، AI accelerators اور smartphone chips بنتی ہیں۔

ایک خیال ہے: جس چیز کو ہم نہیں سمجھتے، وہ جادو جیسی لگتی ہے۔ میرے لیے EUV lithography بالکل ایسی ہی محسوس ہوتی ہے۔ لیکن دلچسپ بات یہ ہے کہ جب آپ اسے سمجھنا شروع کرتے ہیں، تو یہ کم جادوئی نہیں ہوتی۔ بلکہ کچھ زیادہ ہی حیران کن ہو جاتی ہے۔

یہ تصویر میرے لیے اچھی طرح دکھاتی ہے کہ یہ machine مجھے اتنی کیوں پکڑتی ہے: اندر سے یہ مستقبل کے کسی کھلے ہوئے ٹکڑے جیسی لگتی ہے، جبکہ customer کے پاس fab میں یہ بعد میں زیادہ تر ایک بڑی سفید industrial box کے طور پر کھڑی ہوتی ہے۔

چند اعداد جنہیں دو بار پڑھنا پڑتا ہے

Physics میں جانے سے پہلے scale پر ایک مختصر نظر ڈالنا بنتا ہے۔ اس لیے نہیں کہ بڑے numbers خود بخود اچھی technology ثابت کرتے ہیں، بلکہ اس لیے کہ ورنہ یہ machine بہت abstract رہ جاتی ہے۔

High-NA EUV machine بس ship نہیں کر دی جاتی۔ اسے ASML میں build کیا جاتا ہے، qualify کیا جاتا ہے، دوبارہ dismantle کیا جاتا ہے، اور modules کی صورت میں customer تک transport کیا جاتا ہے۔ counting method کے لحاظ سے اس کے پیچھے تقریباً 800 سے 5'000 suppliers کھڑے ہیں۔ بڑے subsystems کئی ممالک میں بنتے ہیں، Veldhoven میں اکٹھے ہوتے ہیں، اور پھر fab کی طرف روانہ ہوتے ہیں: ایک ہی machine کے لیے تقریباً 250 containers، 25 سے 30 trucks اور سات Boeing 747۔

اس کے علاوہ تقریباً 100'000 individual parts، لگ بھگ 40'000 screws، تقریباً 3'000 cables اور دو kilometers سے زیادہ pipes یا hoses شامل ہیں۔ customer site پر connection کے لیے 2'000 سے زیادہ electrical connections درکار ہوتے ہیں۔ یہ اب “ایک device” نہیں رہتا۔ یہ ایک چھوٹا industrial ecosystem ہے جس کا اتفاق سے ایک کام ہے: light کو اتنی precision سے control کرنا کہ modern chips بن سکیں۔

Manufacturing بھی عام mechanical engineering جیسی نہیں لگتی۔ EUV factory میں تقریباً 2'000 people کام کرتے ہیں، اور وہ بھی 24/7۔ ایک High-NA machine کو build، test اور qualify ہونے میں تقریباً ڈیڑھ سال لگتا ہے۔ اور تب بھی وہ اس معنی میں “finished” نہیں ہوتی کہ اسے pallet پر رکھ کر بھیج دیا جائے۔ اسے پھر dismantle کیا جاتا ہے، اور اس کے بعد ہی fab تک سفر شروع ہوتا ہے۔

Environment ہی extreme ہے۔ ASML cleanroom کو 0.1 micrometer پر زیادہ سے زیادہ تقریباً 10 particles per cubic meter کے ساتھ describe کیا جاتا ہے۔ اسی comparison میں ایک بہت صاف operating room تقریباً 10'000 particles per cubic meter پر ہوتا ہے۔ اور ہم ایسے particles کی بات کر رہے ہیں جو pollen یا fine dust سے کہیں چھوٹے ہیں۔

اندر معاملہ اور بھی عجیب ہو جاتا ہے۔ machine microscopic tin droplets پر fire کرتی ہے، جو blood cell کے سائز کے لگ بھگ ہوتے ہیں۔ اس کے لیے CO2 laser کو کئی amplifiers کے ذریعے تقریباً 20'000 watts تک لے جایا جاتا ہے۔ یہ droplets ہر second دسیوں ہزار بار hit ہوتے ہیں۔ نئی sources میں ہر droplet پر تین laser pulses ہوتے ہیں: پہلے shape دینا، پھر thin کرنا، پھر مکمل طور پر plasma میں بدلنا۔ 50'000 droplets per second پر ذہنی حساب سے 150'000 precise laser hits per second بنتے ہیں۔ اور پوری idea یہ نہیں کہ “اکثر” hit ہو جائے۔ system کو یہ hits industrial reliability کے ساتھ لگانے ہوتے ہیں۔

Scanner کے اندر movement بھی absurd ہے۔ Reticle، یعنی chip pattern والی mask، آرام سے slide نہیں ہوتی۔ accelerations 20 g سے زیادہ ہوتی ہیں؛ EXE platform کے لیے ASML reticle stage کے 32 g تک کا ذکر کرتا ہے۔ یہ تقریباً ایسی racing car جیسا ہے جو 0.09 second میں 0 سے 100 km/h تک پہنچ جائے۔ اسی وقت chip layers کا overlay nanometer range میں درست رہنا چاہیے۔

اور پھر وہ تصویر آتی ہے جو میرے ذہن سے نکلتی نہیں: تصور کریں کہ ایک mirror کے کنارے پر ایک microscopic laser لگا ہے۔ beam moon تک جاتی ہے۔ وہاں ایک coin پڑا ہے۔ mirror control اتنا fine ہے کہ آپ صرف roughly “coin” کو hit نہیں کرتے، بلکہ یہ فیصلہ کر سکتے ہیں کہ beam coin کے ایک side پر لگے یا دوسرے side پر۔ angular control تقریباً اسی order میں چلتا ہے، یعنی picoradian range میں۔ ایسے comparisons ظاہر ہے simplifications ہوتے ہیں۔ لیکن وہ precision کو محسوس کرنے میں مدد دیتے ہیں۔ ہم normal mechanical engineering کے معنی میں “بہت precise” کی بات نہیں کر رہے۔ ہم ایسی industrial system کی بات کر رہے ہیں جس میں چند atoms کا offset بھی relevant ہو جاتا ہے۔

ASML اصل میں کیا بناتا ہے

ASML chips نہیں بناتا۔ یہ اہم بات ہے۔ ASML وہ machines بناتا ہے جن کی مدد سے TSMC، Samsung، Intel، SK hynix، Micron اور دیگر companies silicon wafers پر سب سے finer patterns بناتی ہیں۔

TSMC کا مطلب Taiwan Semiconductor Manufacturing Company ہے۔ بہت سے لوگ Apple، Nvidia، AMD یا Qualcomm کو chip brands کے طور پر جانتے ہیں۔ TSMC اکثر اس کے پیچھے factory ہوتا ہے: وہ contract manufacturer جو ان designs کو واقعی chips میں بدلتا ہے۔

ایک modern chip اصل میں electrical switches کا ایک artificial city ہے: nanometer-scale computing city، جس میں بہت سی layers اور hundreds of kilometers interconnects ہوتے ہیں۔ سب سے نیچے billions of transistors بیٹھے ہوتے ہیں۔ اوپر wires، insulators، contacts اور microscopic structures کی layers ہوتی ہیں، جو سب کچھ connect کرتی ہیں۔ کچھ chips میں تقریباً 100 layers تک ہو سکتی ہیں، اور ہر layer کو previous layer پر انتہائی precision کے ساتھ fit ہونا ہوتا ہے۔ اگر دو layers تھوڑی سی بھی shift ہو جائیں، تو chip صرف “ذرا کمزور” نہیں ہوتی، بلکہ ممکنہ طور پر scrap بن جاتی ہے۔

اس کی central technology کو photolithography کہتے ہیں۔ بہت simplify کریں تو ایک cycle یوں چلتا ہے:

1. Silicon wafer پر material لگایا جاتا ہے۔
2. اس کے اوپر light-sensitive coating آتی ہے، یعنی photoresist۔
3. Lithography machine اس coating پر ایک pattern project کرتی ہے۔
4. Exposed area کی chemical properties بدل جاتی ہیں۔
5. اس کے بعد develop، etch، coat یا dope کیا جاتا ہے۔
6. اگلی layer کے لیے process repeat ہوتا ہے۔

یہ تقریباً banal لگتا ہے: light، ایک mask، اور ایک sensitive surface۔ اصولی طور پر یہ photography ہے۔ بس آخر میں photo کوئی image نہیں، بلکہ processor کا ایک حصہ ہوتا ہے۔ اور “pixels” ایسے scales میں ہوتے ہیں جہاں dust، heat، vibration، air molecules، chemical side effects اور انتہائی معمولی optical errors بھی حقیقی opponents بن جاتے ہیں۔

ASML کی machines projection systems ہیں۔ Light mask کا pattern، جسے reticle بھی کہتے ہیں، optics کے ذریعے wafer تک لے جاتی ہے۔ Optics pattern کو shrink اور focus کرتی ہے۔ اس کے بعد machine wafer کو آگے بڑھاتی ہے اور اگلا field expose کرتی ہے۔

اصل سوال یہ ہے: light سے کتنا چھوٹا print کیا جا سکتا ہے؟

مسئلہ: light ایک وقت کے بعد بہت coarse ہو جاتی ہے

Lithography میں دو بڑے knobs ہیں: light کی wavelength اور optics کی numerical aperture۔ shorter wavelength چھوٹے structures print کرنے میں مدد دیتی ہے۔ larger numerical aperture کا مطلب ہے کہ optics زیادہ wide angle range سے light collect اور focus کر سکتی ہے۔ یہ بھی resolution بہتر کرتا ہے۔

Industry نے DUV lithography کے ساتھ بہت لمبا سفر کیا۔ DUV کا مطلب Deep Ultraviolet ہے۔ خاص طور پر 193 nanometer wavelength والی argon fluoride light advanced chips کے لیے بہت important بنی۔ کئی سال تک یہی workhorse technology رہی۔ Immersion lithography، بہتر masks، computational lithography اور multi-patterning جیسے tricks کے ذریعے اس technology سے اتنا کچھ نکالا گیا جتنا شاید reasonable نہیں لگتا تھا۔

لیکن کسی point پر light کی wavelength ان structures کے لیے simply بہت لمبی ہو جاتی ہے جنہیں print کرنا ہو۔ جب structures wavelength کے قریب آنے لگتے ہیں، light diffract ہوتی ہے، interference brutal حد تک important ہو جاتی ہے، اور mask پر موجود pattern وہ نہیں رہتا جو wafer پر cleanly land کرے۔

اسے software، mask corrections اور multiple exposures سے کچھ حد تک compensate کیا جا سکتا ہے۔ Industry نے سالوں تک یہی کیا۔ لیکن multi-patterning expensive، slow اور error-prone ہے۔ اگر ایک critical layer دو، تین یا چار exposure steps میں بدل جائے، تو process time، mask cost اور risk بڑھ جاتے ہیں۔ ہر additional step yield کھونے کا ایک اور موقع ہے۔

اس لیے industry کو shorter light چاہیے تھی۔

EUV، یعنی Extreme Ultraviolet، 13.5 nanometers پر کام کرتا ہے۔ یہ 193-nm DUV سے 14 گنا سے بھی زیادہ short ہے، تقریباً پانچ DNA strands کو ساتھ رکھیں تو اتنی width۔ اس سے theoretically کافی finer structures دوبارہ print کرنا ممکن ہو جاتا ہے۔ Practical reality میں مگر problems کی ایک لمبی list شروع ہوتی ہے، جو اتنی absurd لگتی ہے کہ سمجھ آتا ہے کہ بہت سے لوگ کئی decades تک EUV کو unrealistic کیوں سمجھتے رہے۔

13.5-nm light تقریباً ہر چیز absorb کر لیتی ہے۔ air۔ glass۔ normal lenses۔ normal mirrors۔ اسے بس کسی خوبصورت optics سے گزارا نہیں جا سکتا۔ پورا system vacuum میں کام کرنا چاہیے، اور lenses کے بجائے انتہائی special mirrors چاہیے ہوتے ہیں۔

دوسرے words میں: smaller chips بنانے کے لیے industry کو ایسی light source invent کرنی پڑی جو زمین پر practical طور پر موجود نہیں، ایسی optics بنانی پڑی جو ہر اس چیز سے زیادہ smooth ہو جسے عام انسان کبھی touch کرتے ہیں، اور پھر پورے system کو اتنا stable بنانا پڑا کہ وہ factory میں 24/7 money earn کر سکے۔

یہی شرط تھی۔

EUV پر لمبی شرط

Story High-NA سے شروع نہیں ہوتی، بلکہ اس سوال سے شروع ہوتی ہے کہ کیا اتنی short wavelength radiation سے lithography ممکن بھی ہے یا نہیں۔

1980s میں Japanese researcher Hiroo Kinoshita نے بہت short-wavelength radiation سے structures print کرنے کے idea پر کام کیا۔ problem فوراً clear تھی: ایسی light classical lenses سے guide نہیں ہو سکتی۔ وہ absorb ہو جاتی ہے۔ solution صرف mirrors کے ذریعے ہو سکتا تھا، مگر normal mirrors نہیں، بلکہ multilayer mirrors، جن میں بہت سی extremely thin layers اس طرح بنائی جاتی ہیں کہ reflected waves constructively align کریں۔

Kinoshita نے initial images بنائیں، مگر شروع میں انہیں serious نہیں لیا گیا۔ skepticism صرف ignorance نہیں تھی۔ technically یہ سمجھ میں آتی تھی۔ light source بہت weak تھی۔ mirrors بہت difficult تھے۔ machines بہت slow ہوتیں۔ اور ان میں سے ہر single point کسی product کو kill کرنے کے لیے کافی تھا۔

اسی دوران American national labs، جن میں Lawrence Livermore بھی شامل تھا، X-Ray اور EUV-adjacent technologies پر کام کر رہی تھیں، اصل میں بالکل مختلف reasons سے۔ fusion اور weapons physics کے ماحول کی research نے multilayer mirrors اور short-wavelength radiation کے بارے میں knowledge دی۔ پھر سوال آیا کہ کیا اس knowledge سے کوئی useful چیز بنائی جا سکتی ہے۔ اسی سے EUV lithography کی طرف جانے والے early paths میں سے ایک بنا۔

1990s میں EUV ایک حقیقی industrial project بن گیا۔ US labs، Bell Labs، Intel، Motorola، AMD اور دیگر اس میں شامل تھے۔ جب government funding ختم ہوئی، chip companies نے خود investment جاری رکھی، کیونکہ سب دیکھ رہے تھے: اگر 193-nm lithography ایک دن کافی نہ رہی تو نئی answer چاہیے ہوگی۔

2000 کے آس پاس ایک important prototype آیا، Engineering Test Stand۔ اس نے دکھایا کہ EUV principle میں patterns print کر سکتا ہے۔ اس test stand نے 9.8 watts EUV light پیدا کی اور 70-nanometer structures print کر سکا۔ لیکن وہ speed کے لحاظ سے industrial use کے قریب بھی نہیں تھا۔ تقریباً دس wafers per hour laboratory success ہے۔ ایک real fab کو hundreds of wafers per hour چاہیے ہوتے ہیں، دن رات، high availability، usable yield اور controllable costs کے ساتھ۔

یہی وہ point ہے جہاں science اور industrialization الگ ہو جاتے ہیں۔ laboratory proof ایک چیز ہے۔ ایسی machine جو chip manufacturer اپنی billion-dollar roadmap میں plan کرے، بالکل دوسری چیز ہے۔

ایک خاص طور پر brutal bottleneck light budget تھا۔ EUV mirrors ساری light reflect نہیں کرتے۔ جب light کئی mirrors اور reticle سے گزرتی ہے، ہر contact کے بعد کم رہ جاتی ہے۔ تقریباً 70 percent reflectivity per mirror پر many reflections کے بعد photons کا صرف چند percent باقی رہتا ہے۔ اسی لیے light source صرف ایک component نہیں تھی۔ وہ “interesting experiment” اور “industrially usable machine” کے درمیان فرق تھی۔

بہت سی companies باہر نکل گئیں یا faith کھو بیٹھیں۔ آخر میں بنیادی طور پر ASML باقی رہ گیا۔

یہ remarkable ہے، کیونکہ ASML نے خود بھی کبھی small beginning کی تھی: Netherlands میں Philips کا spin-off، شروع میں global monopolist سے زیادہ ایک shaky bet۔ مگر ASML کے پاس دو چیزیں تھیں: lithography پر extreme focus، اور partners کے ساتھ risk اٹھانے کی willingness۔ ZEISS نے optics سنبھالی۔ ASML نے system integrate کیا۔ بعد میں light source کے آس پاس key technologies بھی ASML کی world میں زیادہ tightly آ گئیں۔

EUV کوئی single invention نہیں تھا۔ EUV ہزاروں “تقریباً impossible، مگر شاید پھر بھی” problems کی chain تھا۔

اس development story کے ساتھ یہ deeper introduction یہاں بہترین fit بیٹھتا ہے:

تکنیکی ناممکنات

مسئلہ 1: machine کے اندر سورج کیسے بنایا جائے؟

13.5 nanometer EUV light normal lamp سے پیدا نہیں کی جاتی۔

ASML ایک laser-produced-plasma source استعمال کرتا ہے۔ basic principle میں liquid tin کے microscopic droplets بنائے جاتے ہیں۔ ASML public طور پر تقریباً 25 micrometer tin droplets describe کرتا ہے، جو generator سے تقریباً 70 meters per second کی رفتار سے آتے ہیں۔ یہ تقریباً 250 km/h ہے۔ یہ droplets ہر second دسیوں ہزار بار laser pulses سے hit ہوتے ہیں۔

پہلا pulse droplet کو flat shape دیتا ہے، تقریباً ایک microscopic pancake کی طرح۔ اس کے بعد بہت stronger pulse tin کو hit کرتا ہے اور اسے hot plasma میں بدل دیتا ہے۔ current machines کی نئی explanations میں pulse sequence کو اور finer describe کیا جاتا ہے: pre-pulse، پھر tin cloud کو thin کرنے کے لیے ایک اور pre-pulse، پھر main pulse۔ تین hits تقریباً 20 microseconds میں ہوتے ہیں۔ مقصد وہی رہتا ہے: زیادہ سے زیادہ tin سے زیادہ سے زیادہ usable EUV light نکالنا۔

Plasma ناقابل تصور حد تک hot ہوتا ہے: تقریباً 220'000 degrees Celsius یا Kelvin، یعنی sun کی surface سے roughly 40 گنا زیادہ hot۔ اسی plasma سے desired EUV wavelength والے photons بنتے ہیں۔

یہ اکیلا ہی absurd ہے۔ لیکن ایک droplet کو ایک بار hit کر دینا کافی نہیں۔ machine کو یہ مسلسل کرنا ہوتا ہے۔ 50'000 times per second۔ اگر ہر droplet کے لیے تین pulses چاہیے ہوں، تو 150'000 laser pulses per second بنتے ہیں، جنہیں timing اور position دونوں میں fit ہونا ہوتا ہے۔ newer roadmaps اور statements میں بات 60'000 اور بعد میں 100'000 droplets per second تک جاتی ہے۔

اور یہ droplets کہیں بھی نہیں ہو سکتے۔ انہیں same size، same speed اور right time پر right place میں ہونا ہوتا ہے۔ machine انہیں observe کرتی ہے، ان کی flight calculate کرتی ہے، اور laser کو اس طرح fire کرتی ہے کہ pulse exactly hit کرے۔ اس کی image: storm میں اڑتا ہوا golf ball ہر بار دور موجود hole میں گرنا چاہیے، بغیر miss کیے۔

یہ میرے لیے ان points میں سے ایک ہے جہاں دماغ تھوڑی دیر کے لیے رک جاتا ہے۔ اس لیے نہیں کہ principle ناقابل فہم ہے، بلکہ اس لیے کہ industrial repeatability unbelievable ہے۔ ایک experiment spectacular ہو سکتا ہے۔ ایک fab machine کو boringly reliable بننا پڑتا ہے۔

مسئلہ 2: tin حل بھی ہے اور دشمن بھی

Tin ہی کیوں؟

Early EUV sources نے xenon وغیرہ بھی use کیا۔ وہ کام کرتا تھا، مگر efficiency خراب تھی۔ energy کا بڑا حصہ desired 13.5-nm radiation میں نہیں جاتا تھا۔ tin بہتر fit ہے، کیونکہ اس range میں یہ کہیں زیادہ efficiently EUV light generate کر سکتا ہے۔

لیکن tin ایک نیا problem لے آتا ہے: material جاتا کہاں ہے؟

یہ banal لگتا ہے، مگر machine کے لیے existential problem ہے۔ Collector mirror پر ایک nanometer tin بھی اس mirror کو operation سے باہر کرنے کے لیے کافی ہو سکتا ہے۔ ساتھ ہی source کی lifetime میں system سے symbolic quantities نہیں، بلکہ کافی real tin گزرتا ہے۔ mirror کو تقریباً perfectly clean رہنا چاہیے، حالانکہ اس کے بالکل قریب 50'000 times per second microscopic tin-plasma explosions ہو رہی ہوتی ہیں۔

آپ ان droplets پر symbolic shooting نہیں کرتے۔ آپ انہیں vaporize اور tear apart کرتے ہیں۔ مگر بالکل nearby collector mirror بیٹھا ہے، extremely expensive اور extremely sensitive mirror، جسے EUV light collect کرنی ہے۔ اگر وہاں tin deposit ہو جائے، source efficiency lose کرتی ہے۔ اگر mirror بہت dirty ہو جائے، machine رک جاتی ہے۔

لہٰذا ASML کو صرف light generate نہیں کرنی پڑی، بلکہ اپنی light source کو خود کو destroy کرنے سے بھی روکنا پڑا۔

Solution کا ایک حصہ hydrogen ہے۔ source chamber میں low pressure پر hydrogen ہوتا ہے۔ یہ tin residues کو slow اور cool کرتا ہے، اور tin کو chemically gaseous compounds میں convert کرنے میں مدد دیتا ہے جنہیں remove کیا جا سکے۔ لیکن یہ بھی simple filter trick نہیں ہے۔ microscopic plasma explosions hydrogen کو heat کرتی ہیں اور shock waves create کرتی ہیں۔ آپ اسے mini-supernovae جیسا imagine کر سکتے ہیں، جو vessel کے اندر 50'000 times per second پیدا ہوتی ہیں۔ engineers کو سمجھنا پڑا کہ gas میں کتنی energy جاتی ہے، اسے کتنی speed سے flow کرنا چاہیے، اور اتنی protection کیسے ملے کہ بہت زیادہ EUV light دوبارہ absorb نہ ہو جائے۔

یہ حصہ دکھاتا ہے کہ practical magic کتنی غیر romantic ہوتی ہے۔ lever پر کوئی wizard نہیں بیٹھا۔ engineers measurement data کے سامنے بیٹھے ہیں، gas میں shock waves دیکھتے ہیں، انہیں explosion physics کے formulas سے compare کرتے ہیں، اور سمجھتے ہیں: ہمیں hydrogen کو absurd speeds سے اس system میں flush کرنا ہوگا۔ order of magnitude تقریباً 360 km/h gas flow ہے، یعنی category 5 hurricane سے بھی زیادہ، اگرچہ system کے اندر density ظاہر ہے بہت کم ہے۔

اور اس سے بھی سب کچھ solve نہیں ہوا۔ ایک اور stumbling block یہ تھا کہ hydrogen کے باوجود collector بہت تیزی سے degrade ہو رہا تھا۔ breakthrough ایک observation سے آیا: جب machine کھولی جاتی تھی، mirror apparently زیادہ clean ہو جاتا تھا۔ reason oxygen تھا۔ تو system میں microscopic oxygen quantities کے ساتھ experiments کیے گئے، اتنی oxygen کہ cleaning process improve ہو، مگر اتنی نہیں کہ vacuum system اور EUV transmission suffer کریں۔

یہ engineering کی وہ kind ہے جو مجھے پسند ہے: big idea important ہے، مگر آخر میں اکثر وہ person جیتتا ہے جو ایک عجیب detail کو serious لیتا ہے۔

مسئلہ 3: ایسے mirrors جو اصل میں exist نہیں کرنے چاہئیں

EUV glass lenses سے نہیں گزرتا۔ اس لیے EUV lithography mirrors کے ساتھ کام کرتی ہے۔

لیکن mirrors بھی EUV کو اس طرح reflect نہیں کرتے جیسے bathroom mirror visible light reflect کرتا ہے۔ EUV mirrors انتہائی precise layer systems سے بنتے ہیں، عام طور پر molybdenum اور silicon۔ بہت سی ultra-thin layers اس طرح tune کی جاتی ہیں کہ وہ exactly 13.5 nanometers پر زیادہ سے زیادہ light reflect کریں۔

تب بھی ایک single mirror light کا صرف ایک حصہ reflect کرتا ہے۔ جب light repeatedly reflect ہوتی ہے، remaining power تیزی سے shrink ہوتی ہے۔ اسی لیے light source اتنے عرصے تک bottleneck رہی۔ beginning میں زیادہ light کا مطلب wafer پر زیادہ usable light ہے۔

ان mirrors کی surfaces کو ساتھ ہی brutally smooth ہونا چاہیے۔ ASML modern EUV mirrors کے بارے میں tens of picometers range کی smoothness کی بات کرتا ہے۔ comparison میں normal household mirror brutal rough ہے: معنی کے لحاظ سے thousands of silicon atoms کے order کی unevenness، جبکہ early EUV mirrors کو atomically smooth ہونا پڑتا تھا۔

Scale comparisons ذہن میں رہ جاتے ہیں: اگر Low-NA EUV mirror کو Germany کے size تک scale کیا جائے، تو highest unevenness تقریباً ایک millimeter ہوگی۔ High-NA میں image اور بھی extreme ہو جاتی ہے: اگر mirror earth جتنا بڑا ہو، تو highest unevenness ایک playing card جتنی thick ہوگی۔

یہ marketing جیسا لگتا ہے، مگر اس کے پیچھے hard physics ہے۔ 13.5 nm wavelength پر ایک چھوٹی unevenness “scratch” نہیں ہوتی۔ وہ light scatter کرتی ہے، contrast کھاتی ہے اور image خراب کرتی ہے۔ mirrors کو صرف smooth نہیں ہونا، بلکہ position، shape اور temperature میں بھی control ہونا ہے۔

ZEISS یہاں central role ادا کرتا ہے۔ High-NA EUV کے لیے optics اور بھی بڑے اور heavy بنائے گئے۔ ZEISS High-NA projection optics کو 40'000 سے زیادہ parts اور تقریباً بارہ tons weight کے ساتھ describe کرتا ہے۔ یہ established EUV projection optics کے volume اور weight سے سات گنا ہے۔ اسی وقت individual optical elements کو nanometer precision سے align اور control کرنا پڑتا ہے۔

یہ اگلا mind-bender ہے: آپ ایک بہت بڑی چیز بناتے ہیں تاکہ ایک بہت چھوٹی چیز print کر سکیں۔

machine کیسے کام کرتی ہے

technical flow کے لیے official ASML video یہاں بالکل fit بیٹھتی ہے۔ یہ High-NA platform، anamorphic optics، faster stages اور یہ دکھاتی ہے کہ TWINSCAN EXE future chip generations کے لیے کیوں بنائی گئی۔

High-NA normal EUV کے مقابلے میں کیا بدلتا ہے

ASML کی first commercial EUV machines، یعنی NXE systems، 0.33 numerical aperture کے ساتھ کام کرتی ہیں۔ High-NA، یعنی EXE platform، اس NA کو 0.55 تک بڑھاتا ہے۔

optically idea simple ہے: larger NA wider angle range سے light catch کرتی ہے۔ اس سے system finer details image کر سکتا ہے۔ ASML TWINSCAN EXE:5000 کے لیے 8 nm resolution بتاتا ہے۔ NXE systems کے مقابلے میں یہ single-exposure structures کو 1.7 times smaller enable کرے گا، اور اس طرح transistor densities واضح طور پر بڑھیں گی۔

لیکن یہاں بھی فوراً catch آتا ہے۔

جب light larger angles پر reticle سے ٹکراتی ہے، نئے problems بنتے ہیں۔ reticle ان angles پر weaker reflect کرتا ہے، اور ایک simple “ہم سب کچھ بڑا کر دیتے ہیں” پوری mask infrastructure کو توڑ دیتا۔ solution کا نام anamorphic optics ہے۔

Pattern کو دونوں directions میں برابر shrink کرنے کے بجائے High-NA differently shrink کرتا ہے: ایک direction میں 4x اور دوسری میں 8x۔ اس سے traditional reticle sizes کے ساتھ کام جاری رہ سکتا ہے، اور higher NA کے benefits بھی ملتے ہیں۔

اس کی price: exposure field چھوٹا ہو جاتا ہے۔ ہر wafer کے لیے زیادہ exposures چاہیے ہوتے ہیں۔ اسے economical رکھنے کے لیے wafer اور reticle stages کو بہت faster ہونا پڑا۔ ASML EXE:5000 کے لیے 185 wafers per hour سے زیادہ اور roadmap میں 220 wafers per hour تک کا ذکر کرتا ہے۔ accelerations 20 g سے زیادہ ہیں؛ EXE platform کے لیے ASML specifically wafer stage کے لیے 8 g اور reticle stage کے لیے 32 g بتاتا ہے۔

ذرا تصور کریں: اس machine میں nanometer precision کے ساتھ pattern transfer ہو رہا ہے، جبکہ parts ایسی accelerations سے move کر رہے ہیں جو racing یا aviation جیسی لگتی ہیں۔ اور پھر بھی layers کا overlay چند atoms کی range سے زیادہ off نہیں ہونا چاہیے۔ اس overlay precision کے لیے تقریباً ایک nanometer بتایا جاتا ہے، یعنی roughly پانچ silicon atoms۔

Moon-and-coin image یہاں دوبارہ fit بیٹھتی ہے: اگر mirror control اتنا fine ہے کہ imagined laser beam moon distance پر coin کے دو sides میں فرق کر سکے، تو آپ سمجھنے لگتے ہیں کہ picoradian accuracy کیا معنی رکھتی ہے۔ machine کو صرف small print نہیں کرنا۔ اسے layers کو بار بار اس طرح ایک دوسرے کے اوپر رکھنا ہے کہ single atomic layers کے order کا error بھی relevant ہو جائے۔

High-NA کا اصل point یہی ہے: صرف چھوٹا print نہیں، بلکہ چھوٹا print کرنا، production economics کو destroy کیے بغیر۔

ایک exposure step حقیقت میں کیسے جڑا ہوتا ہے

اگر machine کو process flow کے طور پر دیکھیں، تو یہ کچھ زیادہ tangible ہو جاتی ہے۔

سب سے پہلے wafer آتا ہے۔ اسے پہلے دوسری systems میں prepare کیا گیا ہوتا ہے: clean، coat، شاید thin material layers کے ساتھ prepare، اور photoresist سے cover۔ یہ pre- اور post-processes بھی chip manufacturing کا اتنا ہی حصہ ہیں جتنا lithography۔ ASML کی machine پوری fab نہیں، بلکہ اس کے اندر سب سے critical tools میں سے ایک ہے۔

پھر mask آتی ہے۔ اس پر وہ pattern ہوتا ہے جو بعد میں wafer پر بننا چاہیے۔ لیکن یہ pattern target image کی کوئی naive drawing نہیں ہوتا۔ diffraction، chemistry، resist behavior اور process distortions کی وجہ سے ایسا direct pattern غلط land کرے گا۔ اس لیے industry computational lithography اور optical proximity correction use کرتی ہے۔ simplify کریں تو: mask کو جان بوجھ کر “غلط” draw کیا جاتا ہے، تاکہ physical process آخر میں درست result print کرے۔

پھر light source tin plasma سے EUV photons بناتی ہے۔ collector mirror ان میں سے زیادہ سے زیادہ collect کرتا ہے اور انہیں scanner میں آگے بھیجتا ہے۔

Illuminator میں light shape ہوتی ہے۔ اس کے بعد وہ reticle پر hit کرتی ہے۔ کیونکہ EUV کسی mask سے visible light کی slide projection کی طرح نہیں گزرتا، reticle بھی reflective ہوتا ہے۔ light pattern لے کر projection optics میں آگے جاتی ہے۔

وہاں wafer پر اصل imaging ہوتی ہے۔ mirrors image کو shrink اور correct کرتے ہیں۔ High-NA میں یہ anamorphic ہوتا ہے، یعنی دو directions میں different۔ اسی وقت stage wafer کو اس طرح move کرتی ہے کہ ایک field کے بعد next field expose ہو۔

Exposure کے بعد photoresist develop کیا جاتا ہے۔ resist type کے لحاظ سے exposed یا unexposed areas باقی رہتے ہیں۔ اس کے بعد etching، deposition، doping، cleaning اور مزید steps آتے ہیں۔ next layer کے لیے cycle دوبارہ شروع ہوتا ہے۔

مشکل کسی ایک step میں نہیں، بلکہ sum میں ہے:

• EUV light کافی strong ہونی چاہیے۔
• Mirrors dirty نہیں ہونے چاہئیں۔
• Optics stable رہنی چاہیے۔
• Wafer اور reticle کو extremely fast اور extremely precise move کرنا چاہیے۔
• Layers کو nanometer overlay کے ساتھ ایک دوسرے پر fit ہونا چاہیے۔
• پوری چیز real production environment میں چلنی چاہیے۔

ہر point اکیلا ہی world-class engineering problem ہوتا۔ ASML کو سب کو ایک ساتھ solve کرنا ہے۔

یہ story اتنی دلچسپ کیوں ہے

ASML میں مجھے صرف machine itself نہیں fascinate کرتی، بلکہ development کی tension بھی کرتی ہے۔

EUV decades تک safe bet نہیں تھا۔ prototypes تھے، مگر light کم تھی۔ بہتر light sources تھیں، مگر tin mirrors destroy کرتا تھا۔ mirrors تھے، مگر throughput کافی نہیں تھا۔ breakthroughs تھے، مگر market target line آگے بڑھاتا رہا، کیونکہ DUV multi-patterning کے ساتھ expected سے زیادہ دیر چلتا رہا۔

یہ important point ہے: ASML نے کسی calm laboratory میں clear future پر کام نہیں کیا۔ company کو technology build کرنی پڑی جبکہ customers doubt کر رہے تھے، wafers-per-hour goals بڑھ رہے تھے، costs explode کر رہی تھیں، اور alternatives کو مسلسل آخر تک stretch کیا جا رہا تھا۔

میرے ذہن میں خاص طور پر یہ moment رہ جاتا ہے: ASML early 2010s میں ابھی destination تک نہیں پہنچا تھا، مگر already next generation، High-NA، پر کام کر رہا تھا۔ یہ actually crazy ہے۔ current EUV ابھی production میں cleanly نہیں آیا، مگر آپ next، اور بھی difficult platform شروع کر دیتے ہیں۔

normal project management perspective سے یہ unreasonable لگتا ہے۔ technology perspective سے شاید necessary تھا۔ اگر آپ High-NA شروع ہی تب کریں جب Low-NA perfectly چل رہا ہو، تو آپ دس سال late آتے ہیں۔

اس kind کی bet retrospective میں ہمیشہ logical لگتی ہے۔ real time میں یہ budget کے ساتھ madness جیسی لگتی ہے۔

Intel، Samsung اور TSMC نے directly ASML میں invest کیا تاکہ development carry ہو سکے۔ order of magnitude: Intel کی طرف سے تقریباً 4.1 billion dollars، اور Samsung و TSMC کی طرف سے together مزید 1.3 billion dollars۔ یہ اکیلا دکھاتا ہے کہ یہ machine industry کے future کے لیے کتنی central تھی۔ EUV کے بغیر Moore’s Law simply dead نہ ہو جاتا، مگر further scaling کے costs اور complexity کہیں زیادہ brutal ہو جاتے۔

ایک خاص strong moment 2015 میں آیا: ASML کو Korea میں customers کو آخرکار 200 watts EUV source power دکھانی تھی۔ patience thin تھی۔ جب ASML کے لوگ plane میں بیٹھے، experiment ابھی چل رہا تھا۔ جب وہ اترے، first results آ چکے تھے: 200 watts۔ decisive places پر یہ technology اتنی close-run تھی۔

اور اب، 2026 میں، High-NA صرف laboratory dream نہیں رہا۔ ASML نے first systems deliver کر دیے ہیں، Intel نے Oregon میں first commercial High-NA system build کر لیا ہے، imec اور ASML Veldhoven میں joint High-NA lab operate کر رہے ہیں، اور ASML نے 2025 کے آخر میں two High-NA systems کے لیے revenue already report کیا۔

پھر بھی sober part important رہتا ہے: 400-million-dollar machine اس لیے کامیاب نہیں ہوتی کہ وہ impressive ہے۔ وہ صرف تب کامیاب ہوتی ہے جب fab میں calculation بہتر کرے: fewer masks، fewer process steps، better yield، shorter cycle time، یا ایسے new structures جو otherwise economically possible نہ ہوں۔

Semiconductor industry میں magic کو بھی Excel survive کرنا پڑتا ہے۔

infrastructure کی نظر سے

network اور security person کے طور پر میں automatically dependencies دیکھتا ہوں۔ اور ASML میں dependency تقریباً unsettling ہے۔

ASML currently EUV lithography systems کا only provider ہے۔ DUV میں competition ہے، EUV میں practical طور پر نہیں۔ اسی وقت most advanced chips exactly اسی technology پر depend کرتے ہیں۔ اس میں smartphones، AI accelerators، server CPUs، GPUs، high-bandwidth memory، network technology، automotive، research اور military applications شامل ہیں۔

یہ ASML کو infrastructure company بنا دیتا ہے، چاہے company internet lines نہ چلاتی ہو اور data centers نہ رکھتی ہو۔ وہ stack میں زیادہ نیچے کھڑی ہے۔ cloud کے نیچے۔ AI کے نیچے۔ smartphone کے نیچے۔ network hardware کے نیچے۔ تقریباً ہر اس چیز کے نیچے جو آج digitally scale کرتی ہے۔

machine itself بھی extreme infrastructure ہے۔ ایک High-NA system تقریباً 100'000 parts، لگ بھگ 3'000 cables، تقریباً 40'000 screws اور دو kilometers کے قریب hoses یا lines پر مشتمل ہوتا ہے۔ counting method کے لحاظ سے 800 global suppliers سے 5'000 supplier companies تک کی بات کی جاتی ہے۔ High-NA machine چار بڑے subsystems سے بنتی ہے، جو دیگر جگہوں کے ساتھ Connecticut، Germany، Netherlands اور California میں بنتے ہیں۔ یہ parts پہلے Veldhoven جاتے ہیں، وہاں assemble اور test ہوتے ہیں، پھر دوبارہ dismantle ہوتے ہیں، اور تب customer کو ship کیے جاتے ہیں۔

Transport alone تقریباً اپنی logistics story ہے: لگ بھگ سات Boeing 747، 25 سے 30 trucks، اور counting کے لحاظ سے تقریباً 250 containers۔ یہ transport numbers ایک single machine کے لیے ہیں۔

یہ classical sense میں کوئی single machine نہیں۔ یہ ایک global ecosystem ہے جو ایک machine میں condensed ہو گیا ہے۔

اور یہی وجہ ہے کہ export controls، geopolitical tensions اور supply chains یہاں side topics نہیں ہیں۔ جسے EUV نہیں ملتا، اسے older techniques، more multi-patterning، more effort اور weaker economics کے ساتھ keep up کرنے کی کوشش کرنی پڑتی ہے۔ بعض nodes کے لیے یہ کام کر سکتا ہے، مگر rules of the game بدل دیتا ہے۔

میں اس سے کیا لے کر جاتا ہوں

میں یہ article اس لیے لکھنا چاہتا تھا کیونکہ میں اس machine کو سمجھنا چاہتا تھا۔ مکمل نہیں، یہ arrogant ہوتا۔ مگر اتنا ضرور کہ “یہ magic ہے” سے ایک robust inner model بن جائے۔

میرا model اب یہ ہے:

ASML High-NA EUV کوئی magic machine نہیں۔ یہ physical limit کا انتہائی consistent answer ہے۔

آپ smaller structures چاہتے تھے۔ تو shorter light چاہیے تھی۔ یہ light تقریباً ہر چیز absorb کر لیتی ہے۔ تو vacuum system with mirror optics بنایا گیا۔ mirrors light کا صرف ایک حصہ reflect کرتے ہیں۔ تو stronger source چاہیے تھی۔ source light اس طرح بناتی ہے کہ tin کو plasma میں بدلتی ہے۔ tin mirrors کو dirty کرتا ہے۔ تو hydrogen، oxygen، gas flow، sensors اور cleaning چاہیے۔ optics larger ہو جاتی ہے۔ تو High-NA، anamorphic imaging، faster stages اور even better correction models چاہیے۔ اور کیونکہ ہر layer previous layer پر perfectly fit ہونی ہے، everything کو nanometer range میں control کرنا پڑتا ہے۔

یہ کوئی single brilliant idea نہیں۔ یہ solved impossibilities کا tower ہے۔

شاید یہی وجہ ہے کہ یہ machine مجھے اتنی پکڑتی ہے۔ یہ دکھاتی ہے کہ لوگ کتنی دور جا سکتے ہیں جب goal کافی important ہو اور economics آخرکار اتنی بڑی ہو جائے کہ اصل میں unreasonable چیز کو finance کر سکے۔

یہ مجھے تھوڑا کھانے کی یاد دلاتا ہے۔ جب آپ سوچنا شروع کرتے ہیں کہ plate پر موجود food کہاں سے آتا ہے، تو اچانک روزمرہ کی چیز دوبارہ عجیب لگنے لگتی ہے۔ خاص طور پر یہاں Dubai میں، جہاں practical طور پر سب کچھ دنیا بھر سے import ہوتا ہے۔ ایک strawberry یا tomato simple لگتا ہے، جب تک آپ seeds، water، fertilizer، climate، harvest، cold chain، quality control، transport، storage اور supermarket کے بارے میں نہ سوچیں۔ آخر میں plate پر کچھ پڑا ہوتا ہے جو صرف اس لیے self-evident لگتا ہے کہ پہلے ہزاروں steps کام کر چکے ہوتے ہیں۔

Chips میں بھی ایسا ہی ہے، بس اور زیادہ extreme۔ میں یہ article ایک ایسے device پر لکھ رہا ہوں جس کے processors ایسی manufacturing chains سے ممکن ہوئے۔ data center میں correction، structuring یا translation میں مدد دینے والی AI ان chips پر چلتی ہے جو machines like this کی وجہ سے اپنی current form میں possible ہیں۔ یہ ایک technical supply chain ہے جو ہماری everyday life کے اتنے نیچے چھپی ہے کہ ہم اسے تقریباً کبھی دیکھتے ہی نہیں۔

Rockets زیادہ spectacular نظر آتے ہیں۔ submarine cables زیادہ tangible ہیں۔ networks میرے لیے زیادہ familiar ہیں۔ لیکن یہ machine کچھ اور hit کرتی ہے: یہ اس point جیسی محسوس ہوتی ہے جہاں physics، material science، optics، mechatronics، software، chemistry، supply chain اور pure stubbornness ایک ساتھ آتے ہیں۔

اور ہاں، یہ اب بھی magic جیسی لگتی ہے۔

مگر اب تھوڑا کم unexplained magic، اور زیادہ اس kind کی magic، جو تب بنتی ہے جب ہزاروں بہت اچھے engineers decades تک یہ accept کرنے سے انکار کرتے رہیں کہ کوئی چیز impossible ہونی چاہیے۔

اگلی بار تک،
آپ کا Joe