Wewnątrz maszyny, która uratowała Prawo Moore'a

Holenderska firma ASML wydała 9 miliardów dolarów i 17 lat na opracowanie sposobu na wytwarzanie gęstszych chipów komputerowych.

Górny moduł maszyny EUV nowej generacji ASML został zbudowany z 17-tonowego kawałka frezowanego aluminium. Christopher Payne

za pomocą

• Clive Thompson strona archiwum

27 października 2021

Patrick Whelan zagląda przez przednią szybę swojego kostiumu króliczka do pomieszczeń czystych, aby zobaczyć, jak się sprawy mają.

Przed nim jest lśniący kawałek szkła, mniej więcej wielkości tostera, który jest wyrzeźbiony tak wieloma wyciętymi sekcjami, aby zmniejszyć jego wagę, że wygląda jak obcy totem. Zespół Whelana przykleja go do dużego kawałka aluminium wielkości stolika kawowego. Zarówno metal, jak i szkło są niesamowicie gładkie, ponieważ były polerowane przez tygodnie, aby usunąć drobne niedoskonałości. W ciągu następnych 24 godzin, gdy klej zestali się, pracownicy będą neurotycznie monitorować położenie szkła i metalu, aby upewnić się, że dokładnie się ze sobą łączą.

Zostaną one połączone z dokładnością do mikrometrów, mówi mi Whelan, wskazując na aparat.

Pobliski technik martwi się, że jest za blisko i krzyczy: Kopia zapasowa!

Nie dotykam! Nie dotykam! – mówi Whelan, śmiejąc się.

Precyzja to tutaj poważna sprawa. Jestem w Wilton, Connecticut, w czystym pomieszczeniu holenderskiej firmy ASML, która produkuje najbardziej zaawansowaną na świecie maszynę do litografii – kluczowego procesu używanego do tworzenia tranzystorów, przewodów i innych istotnych elementów mikroukładów. Jest to pożądane urządzenie, z modelami kosztującymi aż 180 milionów dolarów, które jest używane do tworzenia funkcji mikrochipów o wielkości zaledwie 13 nanometrów w szybkim klipie. Ten poziom precyzji ma kluczowe znaczenie, jeśli jesteś Intelem lub TSMC i chcesz produkować najszybsze na świecie najnowocześniejsze procesory komputerowe. Ostateczna maszyna, zmontowana w centrali ASML w Holandii, jest wielkości małego autobusu i jest wypełniona 100 000 maleńkich, skoordynowanych mechanizmów, w tym systemem, który generuje promieniowanie ultrafioletowe o określonej długości fali, wystrzeliwując stopione krople cyny za pomocą laser 50 000 razy na sekundę. Potrzeba czterech 747, aby wysłać jeden do klienta.

To bardzo trudna technologia — pod względem złożoności prawdopodobnie należy do kategorii projektów Manhattan — mówi Sam Sivakumar, dyrektor ds. litografii w firmie Intel.

Tutaj, w Wilton, moduł ze szkła i metalu, który buduje Whelan i jego zespół, ma szczególne znaczenie. Będzie zawierał wzory potrzebne do wykonania mikroczipa i będzie śmigał w przód i w tył, podczas gdy maszyna wystrzeliwuje go w ekstremalnym ultrafiolecie (EUV), oświetlając różne części wzoru chipa. Następnie światło odbija się do silikonowego wafla wielkości talerza, wypalając wzór na miejscu.

Whelan podchodzi do monitora wideo, na którym jedno z tych szklano-metalowych urządzeń przesuwa się w tę i z powrotem podczas testowania. Waży 30 kilogramów, ale porusza się jak mgła.

Przyspiesza szybciej niż myśliwiec, mówi Whelan, a jego krótko przycięta broda i okulary są zasłonięte sprzętem. Jeśli coś jest luźne, rozpadnie się. Co więcej, mówi, aparat musi się zatrzymać w miejscu wielkości nanometra – więc masz jedną z najszybszych rzeczy na ziemi osiadających w praktycznie najmniejszym miejscu czegokolwiek.

Ten zacisk szklany (czarny prostokąt, górny środek) służy do trzymania masek, które zawierają wzory chipów, które mają być przeniesione na wafel.

CHRISTOPHER PAYNE

Zbliżenie na szklany zacisk służący do mocowania masek.

CHRISTOPHER PAYNE

Ta kombinacja szybkości i dokładności jest kluczem do nadążania za prawem Moore'a – obserwacją, że liczba tranzystorów upchanych w mikrochipach podwaja się mniej więcej co dwa lata, ponieważ komponenty stają się coraz mniejsze, przez co chipy stają się tańsze i wydajniejsze. Im ciaśniej upakowane są tranzystory, tym szybciej sygnały elektryczne mogą krążyć wokół chipa. Od lat 60. producenci mikroukładów zmniejszali komponenty, przełączając się, mniej więcej co dekadę, na nową formę światła o mniejszej długości fali. Ale pod koniec lat 90. producenci utknęli w świetle 193 nanometrów – i gorąco debatowali, co dalej. Sytuacja stawała się coraz bardziej tragiczna. Producenci chipów musieli stosować coraz bardziej złożone projekty i techniki, aby utrzymać prawo Moore'a, ale udało im się przetrwać kolejne dwie dekady rosnącej wydajności.

Następnie, w 2017 roku, ASML zaprezentowało swoją gotową do produkcji maszynę EUV, która wykorzystuje światło o długości fali zaledwie 13,5 nanometra. Przy tak krótkiej długości fali producenci chipów mogli upakować tranzystory gęściej niż kiedykolwiek wcześniej. Procesory mogą szybciej przetwarzać liczby, zużywać mniej energii lub po prostu zmniejszać się. Pierwsze generacje chipów z małymi funkcjami EUV już pracują dla wielkich firm, takich jak Google i Amazon, ulepszając tłumaczenie językowe, wyniki wyszukiwarek, rozpoznawanie zdjęć, a nawet sztuczną inteligencję, która, jak GPT-3, rozmawia i pisze z niesamowitym człowiekiem jakość. Rewolucja EUV dociera również do zwykłych konsumentów, ponieważ maszyny ASML są wykorzystywane do produkcji chipów do produktów, w tym niektórych smartfonów Apple i komputerów Mac, procesorów AMD oraz telefonów Samsung Note10+. Ponieważ maszyny EUV stają się coraz bardziej powszechne, zwiększy to wydajność i zmniejszy zapotrzebowanie na energię na coraz większej liczbie urządzeń codziennego użytku. Technologia EUV umożliwia również prostsze projekty, co pozwala producentom chipów działać szybciej i produkować więcej chipów na wafel, co skutkuje oszczędnościami kosztów, które można przenieść na konsumentów.

Sukces litografii EUV nie był gwarantowany. Światło jest tak piekielnie trudne do manipulowania, że ​​przez lata eksperci przewidywali, że ASML nigdy tego nie rozwiąże. W rzeczywistości rywale ASML, Canon i Nikon, zrezygnowali z prób wiele lat temu. ASML ma teraz kącik na rynku: jeśli chcesz tworzyć najnowocześniejsze procesory, potrzebujesz jednej z jej maszyn. ASML produkuje tylko 55 z nich rocznie i szybko sprzedają się gigantom w branży; obecnie zainstalowanych jest ponad 100.

Prawo Moore'a w zasadzie się rozpada, a bez tej maszyny zniknie, mówi Wayne Lam, dyrektor ds. Badań w CCS Insight. Tak naprawdę nie da się stworzyć najnowocześniejszych procesorów bez EUV.

Niezwykle rzadko pojedyncza firma posiada monopol na tak kluczową część produkcji mikrochipów. Jeszcze bardziej zadziwiająca jest sama harówka: zajęło ASML 9 miliardów dolarów badań i rozwoju oraz 17 lat badań, nieustannego szaleństwa eksperymentów, ulepszania i przełomowych odkryć. EUV jest teraz tutaj – działa. Ale wysiłek i czas potrzebny, aby to się stało – i jego późne wejście na scenę – rodzi kilka nieuniknionych pytań. Jak długo EUV będzie w stanie utrzymać prawo Moore'a? A co będzie dalej?

ASML używa tego pomarańczowego robota, zbudowanego przez KUKA Robotics, do przenoszenia ciężkich elementów maszyn EUV po podłodze w pomieszczeniu czystym.

CHRISTOPHER PAYNE

Kiedy Jos Benschop dołączył do ASML w 1997 roku, odszedł od dłuższego czasu z Phillipsem i wylądował w branży chipowej, martwiąc się o swoją przyszłość. Przez dziesięciolecia inżynierowie zajmujący się wytwarzaniem chipów opanowali sztukę litografii. Koncepcja jest prosta. Projektujesz elementy chipa — jego przewody i półprzewodniki — a następnie wytrawiasz je w serię masek, podobnie jak robisz szablon do nałożenia wzoru na koszulkę. Następnie nakładasz każdą maskę na silikonowy wafel i przepuszczasz przez nią światło (w przybliżeniu odpowiada to rozpyleniu farby na szablonie). Światło utwardza ​​maskę, chemiczną warstwę na powierzchni wafla; następnie inne chemikalia wytrawiają ten wzór w krzemie. W latach 60. producenci chipów wykorzystywali w tym procesie światło widzialne o długości fali zaledwie 400 nanometrów. Następnie przeszli na światło ultrafioletowe o długości 248 nm i stopniowo zredukowali je do 193 nm – co często nazywa się głębokim UV. Każdy przełącznik kupił im kilkuletnie przedłużenie prawa Moore'a.

Ale pod koniec lat 90. skupiali głębokie UV tak wąsko, jak tylko mogli, i nie byli pewni, jak zmniejszyć. Wydawało się, że potrzebne jest nowe źródło światła. ASML była wówczas małą firmą liczącą 300 osób, która z powodzeniem sprzedawała swoje narzędzia do litografii głębokiego UV. Zdali sobie jednak sprawę, że aby pozostać aktualnym, będą musieli przeprowadzić poważne badania i rozwój.

Benschop — wysoki, kanciasty kierownik o żywiołowym, ale cierpkim sposobie bycia — został zatrudniony jako pierwszy pracownik naukowy. Zaczął jeździć na duże konferencje, odbywające się dwa razy w roku, na których głębocy myśliciele z głównych firm chipowych i agencji rządowych głaskali się po brodzie i dyskutowali o tym, jakiej formy światła użyć w następnej kolejności.

Jaki będzie następny dzieciak w bloku? tak ujął to Benschop, kiedy zeszłego lata rozmawialiśmy w Zoomie. Eksperci rozważali kilka opcji, z których wszystkie miały ogromne problemy. Jednym z pomysłów było użycie sprayu jonów do rysowania wzorów na żetonach; to by zadziałało, ale nikt nie potrafił wymyślić, jak zrobić to szybko na dużą skalę. To samo dotyczyło strzelania wiązkami elektronów. Niektórzy opowiadali się za używaniem promieni rentgenowskich, które mają niewielką długość fali, ale mieli własne wyzwania. Ostatecznym pomysłem było ekstremalne promieniowanie ultrafioletowe o długości fali, która może spaść nawet do 13,5 nanometra — prawie zbliżona do promieniowania rentgenowskiego. Wyglądało dobrze.

Problem polegał na tym, że EUV wymagałby zupełnie nowej formy maszyny litograficznej. Istniejące wykorzystywały tradycyjne szklane soczewki do skupiania światła na wafelku. Ale światło EUV jest pochłaniane przez szkło; przestaje być martwy. Jeśli chciałbyś go zogniskować, musiałbyś opracować zakrzywione lustra, takie jak te używane w teleskopach kosmicznych. Co gorsza, EUV jest nawet pochłaniany przez powietrze, więc musisz stworzyć doskonale szczelną próżnię wewnątrz swojej maszyny. I musiałbyś niezawodnie generować światło EUV; nikt nie był pewien, jak to zrobić.

Intel majstrował przy tym pomyśle, podobnie jak Departament Energii Stanów Zjednoczonych. Ale były to głównie eksperymenty laboratoryjne. Aby stworzyć opłacalną maszynę litograficzną do wytwarzania wiórów, należałoby opracować niezawodne techniki, które mogłyby działać szybko i produkować masowo wióry.

Po trzech latach rozważań, w 2000 roku ASML zdecydowało się postawić firmę i spróbować opanować EUV. Byli małą firmą, ale gdyby im się udało, staliby się gigantami.

Było tak wiele problemów inżynieryjnych do rozwiązania, jak wspomina Benschop, nie mieliśmy siły, by zrobić to sami. Dlatego kierownictwo ASML zaczęło dzwonić do firm, które produkowały komponenty do istniejących maszyn. Jeden telefon został skierowany do Zeiss, niemieckiej firmy optycznej, która przez lata produkowała szklane soczewki dla ASML.

Inżynierowie Zeiss mieli doświadczenie z EUV — w tym w tworzeniu niezwykle precyzyjnych soczewek i luster do teleskopów rentgenowskich. Sztuczka polegała na pokryciu powierzchni luster EUV naprzemiennymi warstwami krzemu i molibdenu, każda o grubości zaledwie kilku nanometrów. Razem tworzą wzór, który odbija aż 70% padającego na nie światła EUV.

Problem polegał na tym, jak je wypolerować. Maszyna musiałaby potrzebować 11 luster, aby odbijać światło EUV i skupiać je na chipie, podobnie jak 11 graczy w ping-ponga odbijających piłkę od jednego do drugiego w kierunku celu. Ponieważ celem było wytrawienie elementów chipa mierzonych w nanometrach, każde lustro musiało być niesamowicie gładkie. Najmniejsza usterka wysłałaby fotony EUV na manowce.

PO LEWEJ: Ta wypolerowana optyka jest częścią czujnika energii, który pomaga kontrolować intensywność światła wewnątrz maszyn litograficznych. PO PRAWEJ: Bliższe spojrzenie na jednostkę polerującą. Pokazane tutaj kawałki szkła są ustawione pod różnymi kątami, aby uzyskać prawidłowy skos.

Te jednostki polerujące są używane do wygładzania komponentów, które trafiają do maszyny EUV ASML.

Kilka elementów optycznych, takich jak ta pokazana w lewym górnym rogu, jest mechanicznie wypolerowanych. Element może spędzić wiele tygodni w wieloetapowym procesie polerowania, a technicy sprawdzają gładkość z dokładnością do nanometra.

CHRISTOPHER PAYNE

Aby dać poczucie skali, jeśli weźmiesz lustro w swojej łazience i powiększy je do rozmiarów Niemiec, będzie miało wybrzuszenia o wysokości około pięciu metrów. Powiększone do tego samego rozmiaru, najgładsze lustro EUV, które inżynierowie Zeissa stworzyli – dla teleskopów kosmicznych – miałoby wypukłości o wysokości zaledwie dwóch centymetrów. Te lustra dla ASML musiałyby być o rząd wielkości gładsze: gdyby były wielkości Niemiec, ich największe niedoskonałości mogłyby mieć mniej niż milimetr wysokości. To naprawdę najdokładniejsze zwierciadła na świecie – mówi Peter Kürz, który w firmie Zeiss odpowiada za opracowanie nowej generacji optyki EUV.

Duża część pracy Zeissa polegałaby na sprawdzaniu luster w poszukiwaniu niedoskonałości, a następnie przy użyciu wiązki jonów do wybijania pojedynczych cząsteczek, stopniowo wygładzając powierzchnię przez miesiące i miesiące pracy.

Podczas gdy Zeiss opracowywał lustra, Benschop i inni dostawcy ASML pracowali nad innym dużym wyzwaniem: jak stworzyć źródło światła, które zapewniłoby stały przepływ EUV.

Będzie ich prześladował przez lata.

Aby wygenerować EUV, musisz stworzyć plazmę, delikatną fazę materii, która istnieje tylko w ekstremalnie wysokich temperaturach. Po wczesnych eksperymentach zamieniających lit za pomocą impulsów laserowych w celu wytworzenia światła EUV, przeszli na cynę, która wytwarzała większe wybuchy.

Powiązana historia

Nie jesteśmy przygotowani na koniec Prawa Moore'a

Napędzał dobrobyt przez ostatnie 50 lat. Ale koniec jest już w zasięgu wzroku.

Na początku XXI wieku, współpracując z firmą Cymer z San Diego i niemiecką firmą laserową Trumpf, ASML zbudowała coś w rodzaju urządzenia Rube Goldberga. Jest podgrzewane naczynie, które utrzymuje cynę w stanie ciekłym. Wprowadza się do dyszy, która wystrzeliwuje kroplę roztopionej cyny — jedną trzecią średnicy ludzkiego włosa — mówi Danny Brown, urodzony w Australii wiceprezes ds. rozwoju technicznego firmy — do dolnej części maszyny, a systemy kamer śledzą jego postęp. Kiedy dociera do środka komory wytwarzającej światło, impuls laserowy uderza w kropelkę cyny. Uśpiona w rozbłysku, który osiąga temperaturę około 500 000 K, cyna wytwarza plazmę, która świeci światłem EUV. Mechanizm powtarza ten proces, strzelając i niszcząc kropelki cyny 50 000 razy na sekundę.

To nie jest proste, ujmijmy to w ten sposób, mówi sucho Brown.

Chociaż mogli teraz generować światło EUV, Brown i jego zespół szybko odkryli nowe problemy. Jony z eksplozji cyny zatykałyby optykę. Zdali sobie sprawę, że w celu oczyszczenia mogą wpompowywać wodór do komory świetlnej, gdzie reagowałby z jonami cyny i pomagał je usunąć.

Ale szybko opóźniali się z harmonogramem. Benschop początkowo przewidywał, że do 2006 r. będą mieli maszyny EUV. W rzeczywistości do tego roku wyprodukowali tylko dwa prototypy. Prototypy działały, wytrawiając wzory dokładniej niż jakakolwiek maszyna litograficzna w historii. Ale były boleśnie powolne. Źródło światła wciąż było zbyt skromne. W litografii każdy foton ma znaczenie; im grubsze można je wygenerować, tym szybciej można umieścić wzór na silikonie.

W międzyczasie maszyna rosła do niewiarygodnie skomplikowanych wymiarów. Zawierał ramiona robotów poruszające wafle, silniki, które przyspieszały siatkę – ten duży kawałek szkła, który utrzymuje wzór – do 32-krotności grawitacji Ziemi, a także w pełni 100 000 części, 3000 kabli, 40 000 śrub i dwa kilometry węży. Co gorsza, wszystko było ze sobą powiązane: spraw, aby jedna część działała, a problem powstałby w innym miejscu. Okazało się na przykład, że ciepło ze światła EUV mikroskopijnie zmieniło wymiary luster. To zmusiło Zeiss i ASML do opracowania czujników, które wykrywałyby każdą zmianę, uruchamiając oprogramowanie, które zmieniałoby pozycje lusterek za pomocą precyzyjnych siłowników.

Gdy naprawiliśmy jeden problem, przeszliśmy do następnego, mówi Benschop. Na każdą górę, na którą się wspinałeś, widziałeś następną górę, która była jeszcze wyższa.

Wielu obserwatorów z branży mikroczipów, obserwując, jak ASML raz po raz opóźnia się z harmonogramem, uznało, że zawiodą.

Te pompy turbomolekularne usuwają powietrze i inne gazy, aby wytworzyć próżnię wewnątrz maszyny EUV – co jest kluczowe, ponieważ światło EUV jest pochłaniane przez powietrze. Pompy obracają się z prędkością 30 000 obr./min i wybijają pojedynczo poszczególne cząsteczki gazu.

CHRISTOPHER PAYNE

Dziewięćdziesiąt pięć procent inteligentnych pieniędzy uważało, że EUV w żaden sposób nie zadziała, mówi CJ Muse, analityk branży półprzewodników w Evercore.

Podczas gdy ASML słabł w EUV, oni i reszta branży wykonywali coraz bardziej skomplikowane sztuczki, aby maksymalnie zwiększyć wydajność głębokiego światła UV, aby upakować więcej tranzystorów na chipach. Jedna z technik, zwana immersją, polegała na nałożeniu warstwy wody na chip, która załamywała wpadające światło i pozwalała na skupienie go w ściślejszy wzór.

Inżynierowie litografii opracowali również technikę wielokrotnego modelowania i wycinania na warstwie wiórów — co jest znane jako wielokrotne wzornictwo — w celu uzyskania drobniejszych szczegółów. Łącznie te podejścia zepchnęły elementy chipa do 20 nanometrów.

Ale te dziwne innowacje sprawiły, że proces wytwarzania chipów stał się znacznie bardziej złożony. Zanurzenie wymagało zarządzania obecnością wody w delikatnym procesie litografii, co nie jest łatwym zadaniem. A projektanci chipów uznali za uciążliwe zmienianie swoich projektów w celu pracy z wieloma wzorami. Głębokie UV wyczerpywało się — i wszyscy o tym wiedzieli.

Jednak w połowie 2010 roku zaczęło się wydawać, że EUV może w końcu przyjść z pomocą. Brown i jego zespół zagłębili się w literaturę naukową, szukając sposobów na lepsze wykorzystanie każdej kropli cyny. Jako były badacz uniwersytecki, który studiował fizykę plazmy, był znany w ASML z poruszania szpiczastych problemów naukowych; CTO żartobliwie wręczył mu tabliczkę z napisem Naukowo Dokładny, Ale Praktycznie Bezużyteczny.

Tym razem jednak zagłębienie się w literaturę naukową opłaciło się. Zasugerował koncepcję dwukrotnego uderzenia laserem w każdą kroplę cyny. Pierwszy wybuch spłaszczyłby kroplę do kształtu naleśnika, co umożliwiło drugiemu wybuchowi — milionowe części sekundy później — wytworzenie znacznie większej ilości EUV. Zespół Browna wymyślił sposób na zrobienie tego na dużą skalę.

Inne odkrycia przyszły przez szczęśliwy przypadek. Ponieważ ich zdolność do spajania cyny uległa poprawie, proces ten wytworzył więcej szczątków, niż wodór mógł usunąć. Wydajność lustra spadała. Aż pewnego dnia zauważyli coś zabawnego: lusterka nie uległy degradacji tak szybko po otwarciu maszyny w celu konserwacji. Jak się okazało, tlen zawarty w powietrzu pomógł odwrócić skażenie. ASML wbudowało w projekt okazjonalne dodawanie niewielkich ilości tlenu.

W połowie 2017 roku firma w końcu miała działające demo, które wytrawiało chipy w tempie przyjaznym dla branży — 125 wafli na godzinę. Ze swojego biura w San Diego Brown oglądał demo w Holandii. Był zachwycony; przebrał się w hawajską koszulę, głosząc, że w końcu będzie mógł wyjechać na wakacje.

To było jak zzzt zzzt zzzt zzzt , wspomina, naśladując prędkość przesuwania się siatki celowniczej, a ramię robota przesuwające się w nowym wafelku mniej więcej co 30 sekund. To było ostatnie domino, które zasadniczo mówiło: „Tak, litografia EUV się wydarzy”.

W tym roku ASML w końcu rozpoczęło dostarczanie maszyn, które zrewolucjonizowałyby wytwarzanie chipów. Gdy rynek zdał sobie sprawę, że ASML ma monopol na najnowocześniejsze narzędzia, jego akcje zaczęły rosnąć, osiągając 549 USD i sprawiając, że kapitalizacja rynkowa firmy była prawie równa kapitalizacji Intela.

Jeśli jesteś takim motorem jak ja, maszyna jest naprawdę cudowna dla oka — cud inżynierii. Kiedy odwiedziłem Wilton, podeszli do mnie, aby obejrzeć masywny blok frezowanego aluminium, który stanowi górną część urządzenia. Ma osiem stóp długości, sześć stóp szerokości i dwie stopy grubości. Błyszczący jak podwozie statku kosmicznego, trzyma szklaną siatkę, a także ma zamontowane na niej ogromne, beczkowate pompy molekularne. Każda pompa zawiera maleńkie łopatki, które obracają się z prędkością 30 000 obr./min, wysysając wszystkie gazy z maszyny, aby wytworzyć wewnątrz próżnię. Whelan powiedział mi, że faktycznie usuwają z drogi cząsteczki gazu, pojedynczo.

Można argumentować, że głównym sukcesem ASML nie było tworzenie maszyn, a ich mierzenie. Kiedy ściągnąłem kostium króliczka, odwiedziłem warsztat, w którym rzeźbiono ogromne kawałki szkła na celownik. Po wyfrezowaniu każdy kawałek szkła jest umieszczany na maszynach, które stopniowo wygładzają go przez setki godzin w ciągu kilku tygodni. Jak powiedział mi kierownik warsztatu Guido Capolino, cały czas mierzą szkło, aby zobaczyć, ile niedoskonałości zostało usuniętych, zaczynając od grubych mikronów. Wskazał na maszynę do polerowania za nami, gdzie kawałki szkła powoli obracały się na wierzchu zawiesiny mokrej mieszanki polerskiej.

Ta eksperymentalna konfiguracja stołowa w fabryce ASML w San Diego służy do testowania zespołów generatora kropel — części źródła światła maszyny EUV.

Lustra wewnątrz maszyny litograficznej mogą gromadzić resztki cyny ze źródła światła EUV. Po wyczyszczeniu i wypolerowaniu luster, ta maszyna jest używana do ich badania.

CHRISTOPHER PAYNE

Zmienność tutaj jest niższa niż w angstremach i nanometrach, powiedział. Użycie szkła w siatce jest kluczowe; nie odkształca się pod wpływem ciepła tak bardzo jak metal. Ale diabelnie trudno go wyrzeźbić – kolejny problem, który inżynierowie musieli powoli rozwiązać.

Sukces ASML z EUV przyniósł firmie głęboki szacunek w branży mikrochipów. Chris Mack, weteran litografii chipów od czterech dekad, jest obecnie dyrektorem ds. technologii w firmie Fractilia, która produkuje oprogramowanie do produkcji chipów. Mówi, że powodem, dla którego ASML i jego partnerzy odnieśli sukces – podczas gdy inni nigdy nawet nie odważyli się spróbować – jest czysta, uparta wytrwałość.

Powiedział mi, że obrali cebulę. Idą, Och, teraz mam kolejną warstwę. A potem ściągają tę warstwę. I wtedy nikt tak naprawdę nie wie, czy jest zgniły w rdzeniu, czy będzie dobry. Po prostu to obierają. I trzeba przyznać, że po prostu nigdy się nie poddali.

Teraz, gdy mają możliwość tworzenia coraz mniejszych komponentów , duże firmy, takie jak Intel, TSMC i Samsung, mogą budować coraz szybsze i bardziej energooszczędne chipy.

Nasi projektanci mogą odetchnąć z ulgą – mówi Sam Sivakumar z Intela. Prawo Moore'a żyje.

Ponieważ coraz więcej maszyn EUV pojawia się w Internecie, a ich koszty amortyzują, technologia będzie spływać na coraz większą liczbę urządzeń codziennego użytku. Jedynym miejscem, które nie skorzysta na rewolucji EUV – przynajmniej w krótkim okresie – są Chiny.

Źródło światła EUV znajduje się w zatoce testowej w pomieszczeniu czystym ASML.

Obawiając się, że Chiny stanowią zagrożenie technologiczne, zarówno administracje Trumpa, jak i Bidena skutecznie naciskały na Holandię, aby uniemożliwiła ASML sprzedaż maszyn EUV tamtejszym klientom.

Czy Chiny mogą po prostu zrobić własne urządzenia EUV? Niektórzy obserwatorzy branży podejrzewają, że nie. Sukces ASML z EUV wymagał ogromnej współpracy z firmami z różnych krajów, od Niemiec i Stanów Zjednoczonych po Japonię (co sprawia, że ​​chemikalia mają kluczowe znaczenie dla masek litograficznych). Według Willa Hunta, analityka z Centrum Bezpieczeństwa i Wschodzących Technologii Uniwersytetu Georgetown, Chiny same w sobie mają niewielkie szanse. To naprawdę nie może zniwelować tej luki, mówi.

Inni obserwatorzy sugerują, że możliwe jest po prostu opóźnienie w możliwości zakupu przez Chiny maszyn EUV. Jak mówi CJ Muse, chińscy producenci chipów zazwyczaj pracują z narzędziami ostatniej generacji, które są o krok w tyle za narzędziami używanymi przez TSMC na Tajwanie, Samsung w Korei czy Intel w USA. Kiedy więc pierwsza generacja maszyn EUV ASML stanie się nieco starsza – za kilka lat – i branża przejdzie na nowsze modele, Chiny mogą mieć możliwość ich zakupu.

I faktycznie, ASML już pracuje nad ulepszoną wersją urządzenia. Będzie w stanie skupić światło EUV w jeszcze ostrzejszym stopniu dzięki tak zwanej wyższej aperturze numerycznej, co pozwoli mu wytrawić komponenty o szerokości poniżej 10 nanometrów. Ta maszyna EUV o wysokiej NA będzie miała większe lustra, co wymaga, aby cała maszyna również była większa. Intel jest obecnie pierwszym klientem jednej z tych maszyn nowej generacji i spodziewa się sprzedać swoje pierwsze chipy zbudowane na nich do 2025 roku.

ASML i większość obserwatorów uważa, że ​​EUV pomoże chipom rozwijać się do co najmniej 2030 r., a być może dłużej. W końcu niektóre sztuczki, które opracowali projektanci chipów, aby utrzymać głębokie UV przez tak długi czas, powinny być powtarzalne z EUV.

Ale w pewnym momencie w ciągu następnej dekady chęć przemysłu chipowego do zmniejszania funkcji zacznie napotykać pewne fizyczne ograniczenia, które są jeszcze trudniejsze niż te, które obecnie pokonali. Po pierwsze, zaczynają się pojawiać problemy kwantowe. Rzeczywiście, już to zrobili: producenci chipów używający maszyn EUV ASML muszą zmagać się z błędami stochastycznymi — promienie światła EUV naturalnie znikają, tworząc nieprawidłowe wzory na chipach. Nie są to jeszcze problemy, które powstrzymują pokaz, ale będą one coraz bardziej marszczyć brwi, gdy wybierają się mniejsi producenci chipów.

Zakładając, że wysokie NA utrzyma prawo Moore'a do 2030 r., co wtedy przejmie kontrolę? Eksperci branżowi przypuszczają, że ASML będzie nadal badać urządzenia o jeszcze większej aperturze numerycznej, co pozwoli im skoncentrować się na coraz mniejszych punktach EUV. Jednocześnie projektanci chipów szukają strategii ulepszania chipów, które nie są tak bardzo zależne od dalszej miniaturyzacji, takich jak rozszerzanie architektur w górę i budowanie trzeciego wymiaru poprzez układanie warstw chipów. Nikt jeszcze nie wie, jaka technologia litografii może pojawić się po EUV. Sivakumar Intela nie spekulował; Mack powiedział, że poza EUV o wysokiej NA, nic innego nie jest intensywnie rozwijane.

W pomieszczeniu czystym Wilton Whelan rzucił mi okiem na ich maszynę EUV o wysokim NA. Zwinął ogromne drzwi w stylu garażu i wprowadził mnie do nowego, ogromnego, czystego pokoju wielkości boiska do piłki nożnej. W rogu stała lśniąca aluminiowa siatka z celownikiem. Był taki sam jak ten, który widziałem w oryginalnej maszynie EUV, ale nie mógł już wygodnie zmieścić się w salonie; był prawie tak duży jak wagon metra i ważył w całości 17 ton. Aby go przenieść, musieli zainstalować dźwigi na dachu.

Więc to, powiedział Whelan, będzie maszyną, która pomoże nam dalej przesuwać prawo Moore'a w przyszłość.

Poprawka: We wcześniejszej wersji tego artykułu zainstalowano ponad 1000 maszyn EUV. W rzeczywistości jest to ponad 100.

Clive Thompson jest dziennikarzem naukowym i technologicznym mieszkającym w Nowym Jorku i autorem Coders: The Making of a New Tribe and the Remaking of the World.