Litografia EUV: jak niemożliwa technologia uratowała Prawo Moore’a

Czym jest Prawo Moore’a i dlaczego przestało działać?

Prawo Moore’a to obserwacja poczyniona w 1965 roku przez Gordona Moore’a, współzałożyciela firmy Intel. Moore zauważył, że liczba tranzystorów na chipie podwaja się mniej więcej co dwa lata, przy jednoczesnym spadku kosztów produkcji. Przez ponad pół wieku ta przewidywalna tendencja była głównym motorem rewolucji technologicznej.

Tranzystory są fundamentalnymi elementami każdego układu scalonego. Działają jak mikroskopijne przełączniki reprezentujące zera i jedynki w komputerze. Im mniejsze tranzystory, tym szybciej sygnały mogą przemieszczać się między nimi, a dodatkowo więcej tranzystorów zmieści się na tej samej powierzchni chipu. Rezultat? Szybsze i bardziej wydajne procesory przy mniejszym zużyciu energii.

Kryzys 193 nanometrów

Od lat 90. XX wieku do około 2015 roku przemysł półprzewodników wykorzystywał fotolitografię z głębokim ultrafioletowym światłem (Deep UV) o długości fali 193 nanometry. Ta technologia osiągnęła jednak swoje fizyczne ograniczenia. Aby drukować coraz mniejsze struktury, inżynierowie stosowali coraz bardziej skomplikowane sztuczki, jak wielokrotna ekspozycja czy immersyjna litografia, ale były to rozwiązania tymczasowe.

Około 2015 roku postęp zatrzymał się. Dalsze miniaturyzacja przy użyciu światła 193 nm stała się technicznie niewykonalna i ekonomicznie nieopłacalna. Przemysł szacował, że bez przełomu technologicznego Prawo Moore’a przestanie działać, a wraz z nim zwolni cała rewolucja cyfrowa.

Jak powstają nowoczesne procesory – od piasku do nanometrów?

Produkcja chipów to jeden z najbardziej skomplikowanych procesów przemysłowych na świecie. Proces rozpoczyna się od krzemionki, najczęściej pozyskiwanej z piasku, która jest oczyszczana do niemal 100-procentowej czystości. Ten ultraprzeczyszczony krzem jest następnie topiony w specjalnym piecu w temperaturze około 1400°C.

Od kryształu do płytki krzemowej

Do roztopu wprowadza się mały kryształ-zarodek krzemu. Atomy krzemu przyczepiają się do kryształu, rozszerzając jego strukturę. Powoli wyciągając i obracając zarodek, tworzy się duży cylindryczny kryształ – ingot, który może ważyć nawet 300 kilogramów i osiągać metr długości.

Ingot jest następnie krojony na cienkie płytki zwane waferami za pomocą diamentowych pił. Z jednego ingotu można uzyskać nawet 5000 płytek. Każda płytka jest starannie polerowana do idealnej gładkości – powierzchnia musi być płaska na poziomie atomowym.

Cykl fotolitografii: cztery kluczowe kroki

Proces tworzenia struktur na chipie opiera się na cyklu czterech kroków, powtarzanych dla każdej warstwy układu scalonego. Nowoczesne chipy mogą mieć od 10 do ponad 100 warstw.

1. Powlekanie (Coat) – płytkę krzemową pokrywa się fotorezytem, materiałem światłoczułym. W przypadku fotorezytu pozytywnego obszary naświetlone światłem stają się słabsze i łatwiej rozpuszczalne
2. Naświetlanie (Expose) – światło przechodzi przez maskę z wzorem struktury chipu, selektywnie osłabiając fotorezynt w określonych miejscach. To tutaj litografia EUV wprowadza rewolucję
3. Trawienie (Etch) – płytkę płucze się zasadowym roztworem, który usuwa naświetlony fotorezynt, pozostawiając wzór wydrukowany na krzemu. Następnie nieosłonięte fragmenty krzemu są wytrawiane chemicznie lub plazmą
4. Osadzanie (Deposit) – w wytrawione linie wprowadza się metal, najczęściej miedź, który będzie przewodził sygnały elektryczne. Na koniec pozostały fotorezynt jest usuwany

Dolna warstwa chipu zawiera tranzystory – to najbardziej skomplikowana warstwa wymagająca setek precyzyjnych kroków. Wyższe warstwy to przewody metalowe przenoszące sygnały i zasilanie. Po zakończeniu procesu kompletny wafer zawiera setki lub tysiące identycznych chipów, które są następnie wycinane, pakowane i trafiają do produktów końcowych.

Litografia EUV – niemożliwa technologia która powstała

Koncepcja wykorzystania ekstremalnego ultrafioletu do litografii narodziła się w latach 80. XX wieku. Japoński naukowiec Hiroo Kinoshita wpadł na pomysł zastosowania promieni rentgenowskich o długości fali około 10 nanometrów zamiast dotychczasowych 193 nanometrów. Teoretycznie krótsza długość fali powinna umożliwić drukowanie znacznie mniejszych struktur.

Dlaczego wszyscy uznali to za niemożliwe?

Kinoshita szybko napotkał fundamentalne problemy fizyczne. Promienie rentgenowskie o tej długości fali mają wystarczająco dużo energii, by wybijać elektrony z atomów, więc większość materiałów je pochłania. Co gorsza, w przeciwieństwie do jeszcze krótszych promieni rentgenowskich wykorzystywanych w medycynie, te są na tyle długie, że absorbowane są nawet przez powietrze.

To oznaczało, że cały system musiałby działać w próżni. Ale był jeszcze większy problem – nie można było użyć soczewek do skupienia światła, ponieważ soczewki też by je pochłaniały. Technologia wydawała się być ślepą uliczką. Gdy Kinoshita przedstawił swoje wyniki na konferencji w 1986 roku, publiczność dosłownie wyśmiała jego prezentację.

Przełom z laboratoriów nuklearnych

Rozwiązanie przyszło z Lawrence Livermore National Laboratory – laboratorium w Kalifornii, które powstało w czasie zimnej wojny do badań nad bronią jądrową. Naukowcy tam pracowali nad sposobami analizy reakcji termojądrowych, które emitują duże ilości promieni rentgenowskich.

W 1983 roku Kinoshita natknął się na pracę amerykańskich naukowców Jima Underwooda i Troya Barbee. Opracowali oni specjalne lustra wielowarstwowe zdolne odbijać promienie rentgenowskie o długości fali 4,48 nanometra. Kinoshita zrozumiał, że zakrzywione lustra mogą skupiać światło podobnie jak soczewki. Jeśli udałoby się stworzyć takie lustra dla długości fali 13,5 nanometra, litografia EUV byłaby możliwa.

Magia luster wielowarstwowych

Underwood i Barbee stworzyli ultra-cienką warstwę wolframu – mniej niż nanometr grubości, wystarczająco cienką by promienie rentgenowskie mogły przez nią przejść bez natychmiastowej absorpcji. Gdy promienie rentgenowskie uderzały w tę warstwę pod określonym kątem, wolfram odbijał mniej niż 1% światła. Następnie dokładnie dostrajali grubość warstwy tak, aby długość drogi przebytych promieni rentgenowskich wynosiła tylko jedną czwartą długości fali.

Potem dodali kolejną warstwę z węgla, który ma wyższy współczynnik załamania dla fal 4,48 nanometra. Promienie rentgenowskie uderzały w granicę i trochę więcej się odbijało, ale tym razem faza była odwrócona o pół długości fali. Gdy ta nowa odbita fala dotarła z powrotem do granicy wolframu, przebyła kolejną czwartą długości fali, łącznie pół długości fali. Fazy się wyrównały i fale interferowały konstruktywnie.

Underwood i Barbee powtórzyli ten trik dla 76 naprzemiennych warstw. W sumie udało im się odbić około 6% światła – to był dowód słuszności koncepcji, że promienie rentgenowskie można odbijać.

ASML – jedyna firma na świecie produkująca maszyny EUV

ASML to holenderska firma założona w 1984 roku jako spin-off giganta elektronicznego Philips. Przez dekady ASML była jednym z kilku graczy na rynku maszyn litograficznych, ale rozwój technologii EUV uczynił ją absolutnym monopolistą – jedyną firmą na świecie zdolną wyprodukować te niezwykle skomplikowane urządzenia.

Droga od sceptycyzmu do sukcesu

W 1996 roku, gdy rząd USA wycofał finansowanie badań nad EUV, wielkie firmy półprzewodnikowe – Intel, Motorola, AMD i inne – wspólnie zainwestowały 250 milionów dolarów, aby kontynuować prace. Była to największa inwestycja przemysłu prywatnego w projekt badawczy Departamentu Energii USA.

W 2000 roku laboratoria stworzyły Engineering Test Stand – pierwszy w pełni funkcjonalny prototyp maszyny EUV. Urządzenie generowało 9,8 wata światła EUV o długości fali 13,4 nanometra, odbijanego przez osiem luster. Potrafiło drukować struktury o wielkości 70 nanometrów. Był to dowód, że EUV może działać.

Ale komercjalizacja okazała się koszmarem. Prototyp mógł przetwarzać tylko 10 płytek na godzinę. Aby technologia była ekonomicznie opłacalna, potrzebna była wydajność setek płytek na godzinę, 24 godziny na dobę, 365 dni w roku. ASML potrzebował kolejnych 15 lat intensywnych prac rozwojowych.

Monopol technologiczny warty miliardy

Dziś ASML jest jedynym dostawcą maszyn litografii EUV na świecie. Każda maszyna kosztuje około 400 milionów dolarów i jest tak skomplikowana, że wymaga trzech Boeingów 747 do transportu części składowych. Firma zatrudnia ponad 40 000 ludzi i ma kapitalizację rynkową przekraczającą 300 miliardów dolarów.

Maszyny ASML są niezbędne do produkcji najnowocześniejszych chipów wykorzystywanych w iPhone’ach, laptopach, centrach danych i systemach AI. Bez ASML firmy takie jak TSMC, Samsung czy Intel nie mogłyby produkować procesorów najnowszej generacji. To czyni ASML jednym z najbardziej strategicznie ważnych przedsiębiorstw na świecie.

Jak działa maszyna EUV – najbardziej skomplikowane urządzenie na świecie?

Maszyna litografii EUV ASML to arcydzieło inżynierii łączące dziesiątki przełomowych technologii. Aby zrozumieć skalę wyzwania, wyobraź sobie, że jesteś zmniejszony do rozmiaru mrówki i masz laser zdolny do topienia metalu. Kropla stopionej cyny wielkości białej krwinki zostaje wystrzelona przed tobą z prędkością 250 kilometrów na godzinę. Twoim zadaniem jest trafić w nią laserem nie raz, nie dwa, ale trzy razy z rzędu w ciągu 20 mikrosekund.

Generowanie światła EUV – sztuczne słońce na Ziemi

Światło EUV nie występuje naturalnie na Ziemi. Najbliższym naturalnym źródłem jest Słońce. ASML musiał dosłownie stworzyć sztuczne słońce w swojej maszynie. System działający w każdej maszynie EUV wystrzeliwuje 50 000 mikroskopijnych kropelek stopionej cyny na sekundę. Każda kropla jest trafiania przez potężny laser CO2 trzy razy w ciągu mikrosekund.

Pierwsze uderzenie deformuje kroplę w kształt naleśnika. Drugie i trzecie uderzenie podgrzewają ją do temperatury ponad 220 000 kelwinów – około 40 razy goręcej niż powierzchnia Słońca. W tych ekstremalnych warunkach atomy cyny są jonizowane i emitują światło EUV o długości fali 13,5 nanometra. ASML twierdzi, że nigdy nie chybia ani jednego strzału z 150 000 na sekundę.

Najpłytsze obiekty we wszechświecie

Wygenerowane światło EUV musi być następnie precyzyjnie skierowane na maskę (reticle), a potem na płytkę krzemową. Ponieważ światło EUV jest absorbowane przez wszystkie materiały, nie można użyć tradycyjnych soczewek. Zamiast tego maszyna używa systemu luster wielowarstwowych – prawdopodobnie najpłytszych obiektów we wszechświecie.

Gdyby powiększyć takie lustro do rozmiaru Niemiec, największa nierówność miałaby wysokość około milimetra. Dla porównania – standardowe lustro domowe powiększone do tego samego rozmiaru miałoby nierówności rzędu kilometrów. Średnia wysokość nierówności w lustrach EUV to zaledwie 2-3 atomy krzemu.

Precyzja na poziomie atomowym

Maszyna musi nakładać kolejne warstwy chipu z dokładnością do 5 atomów. To oznacza, że po wydrukowaniu 100 warstw, każda warstwa musi być wyrównana z dokładnością lepszą niż nanometr. Jednocześnie części maszyny poruszają się z przyspieszeniem przekraczającym 20 g – większym niż podczas startu rakiety kosmicznej.

Cała operacja odbywa się w doskonałej próżni. Nawet pojedyncza cząsteczka kurzu mogłaby zniszczyć chip, dlatego wewnątrz maszyny panuje próżnia porównywalna do tej w kosmosie. System chłodzenia musi odprowadzać ogromne ilości ciepła generowanego przez lasery i płynącą cynę, utrzymując jednocześnie stabilność termiczną z dokładnością do setnych stopnia.

Przyszłość technologii półprzewodników – co dalej z miniaturyzacją?

Litografia EUV przedłużyła życie Prawa Moore’a, ale nie oznacza to, że miniaturyzacja będzie trwać wiecznie. Już dziś inżynierowie osiągają granice fizyki kwantowej. Gdy struktury stają się tak małe jak kilka atomów, elektrony zaczynają wykazywać efekty tunelowania kwantowego, przechodząc przez bariery, które powinny je powstrzymać.

High-NA EUV – następna generacja

ASML już pracuje nad kolejnym pokoleniem maszyn EUV o zwiększonej aperturze numerycznej (High-NA EUV). Te maszyny będą mogły drukować jeszcze mniejsze struktury – poniżej 2 nanometrów. Pierwsza komercyjna maszyna High-NA została dostarczona firmie Intel w 2023 roku i kosztowała ponad 300 milionów dolarów. Pełna produkcja z wykorzystaniem tej technologii ma ruszyć około 2025-2026 roku.

Alternatywne kierunki rozwoju

Jednocześnie przemysł eksploruje alternatywne podejścia do zwiększania mocy obliczeniowej. Zamiast tylko zmniejszać rozmiary tranzystorów, producenci chipów coraz częściej stosują architekturę 3D – układanie wielu warstw tranzystorów jedna na drugiej, lub chipletową konstrukcję łączącą wiele mniejszych chipów w jeden system.

Rozwija się również technologia chipów fotonicznych, wykorzystujących światło zamiast elektronów do przesyłania sygnałów. To może zapewnić znacznie wyższe prędkości przy mniejszym zużyciu energii. Badacze pracują także nad komputerami kwantowymi, które mogą rozwiązywać określone problemy wykładniczo szybciej niż komputery klasyczne.

Geopolityka i bezpieczeństwo technologiczne

Pozycja ASML jako jedynego producenta maszyn EUV czyni firmę kluczowym graczem w globalnej geopolityce technologicznej. Rządy zachodnich krajów ograniczają eksport tej technologii do Chin, obawiając się jej wykorzystania do celów militarnych. To pokazuje, jak krytyczna stała się kontrola nad zaawansowanymi technologiami półprzewodnikowymi.

Branża półprzewodników ma globalną wartość przekraczającą 600 miliardów dolarów rocznie i jest fundamentem praktycznie każdej nowoczesnej technologii – od smartfonów po samochody elektryczne, od centrów danych po systemy sztucznej inteligencji. Litografia EUV jest sercem tego ekosystemu.