Дерек Мюллер утверждает: установка для литографии в экстремальном ультрафиолете стоит 400 миллионов долларов . Это устройство поддерживает работу закона Мура, позволяя каждые два года удваивать количество транзисторов на чипе .
📉 Закат закона Мура и рождение EUV 0:00
Микросхема представляет собой наноскопический город с миллиардами транзисторов . Скорость вычислений растет при уменьшении их размера, так как электронам нужно проходить меньшее расстояние . В 2015 году прогресс в миниатюризации замедлился из-за физических ограничений существующего оборудования .
Процесс создания чипа включает несколько этапов:
- Кремниевый слиток нарезают на 5000 пластин с помощью алмазных пил .
- Пластины покрывают фоторезистом — светочувствительным материалом .
- Свет проходит через маску (ретикуль), перенося рисунок схемы на пластину .
- Кислота или плазма вытравливают структуру, которую затем заполняют медью .
Предел технологии наступил, когда размеры элементов стали сопоставимы с длиной волны света . До 2015 года индустрия использовала глубокий ультрафиолет с длиной волны 193 нанометра . Для дальнейшего прогресса потребовался переход к экстремальному ультрафиолету (EUV).
💡 Хироо Киносита: идея, в которую никто не верил 9:06
Японский ученый Хироо Киносита в 1980-х годах предложил использовать мягкое рентгеновское излучение длиной около 10 нанометров . Эти волны обладают такой высокой энергией, что их поглощает большинство материалов, включая воздух . Установка должна работать в глубоком вакууме, а обычные линзы в ней бесполезны .
В 1983 году Хироо Киносита изучил работу Джима Андервуда и Троя Барби о специальных зеркалах . Они создали структуру из 76 чередующихся слоев вольфрама и углерода толщиной менее нанометра каждый . Такая многослойная конструкция отражает рентгеновские лучи за счет конструктивной интерференции волн .
В 1986 году на конференции Общества прикладной физики Японии коллеги назвали доклад Хироо Киноситы «рыбацкой байкой» . Критики указывали на отсутствие природных источников такого света на Земле и невозможность создания идеально гладких зеркал .
☢️ От ядерных лабораторий до Bell Labs 15:04
Ливерморская национальная лаборатория в США использовала многослойные зеркала для анализа термоядерных реакций . Ученый Эндрю Хаврилюк в 1987 году адаптировал эту технологию для литографии чипов . Его идеи также встретили скептицизм: на профессиональной конференции Эндрю Хаврилюка буквально высмеяли на сцене .
Ситуация изменилась после звонка из Bell Labs от вице-президента AT&T Билла Бринкмана . Правительство США начало стимулировать передачу технологий из оборонных лабораторий в коммерческий сектор . В 1993 году технологию официально назвали EUV — экстремальная ультрафиолетовая литография .
Ключевые вехи американского этапа развития:
- В 1996 году правительство США прекратило финансирование проекта .
- Intel, Motorola и AMD инвестировали 250 миллионов долларов частных средств для продолжения работ .
- В 2000 году инженеры создали прототип Engineering Test Stand мощностью 9,8 ватта .
Прототип печатал всего 10 пластин в час, тогда как для бизнеса требовались сотни . Из-за необходимости использовать девять последовательных отражений на пластину попадало лишь 4% исходного света . Американские компании начали выходить из проекта, оставив ASML единственным разработчиком .
🇳🇱 ASML: технологическая авантюра стоимостью в миллиарды 22:03
Компания ASML отделилась от Philips в 1980-х годах, начав работу в небольшом сарае в Нидерландах . Мартин ван ден Брик стал главным идеологом EUV в компании . Партнером по оптике выступила немецкая фирма Zeiss .
Инженеры выбирали между несколькими парами материалов для зеркал:
- Кремний и молибден: теоретическая отражательная способность 70% при длине волны 13 нм .
- Молибден и бериллий: отражение до 80% при 11 нм, но бериллий крайне токсичен .
ASML остановилась на кремнии и молибдене. Для достижения нужной гладкости зеркал Zeiss применила ионно-лучевую обработку . Если увеличить такое зеркало до размеров Германии, самый высокий выступ на нем не превысит одного миллиметра .
☀️ Искусственное солнце внутри машины 24:34
Для генерации EUV-излучения ученые выбрали метод лазерной плазмы . Установка выстреливает микроскопическую каплю расплавленного олова . Лазер нагревает ее до 220 000 градусов Цельсия, превращая в плазму .
Процесс генерации света происходит следующим образом:
- Азот под высоким давлением выталкивает олово через сопло .
- Сопло вибрирует, формируя 50 000 капель в секунду .
- Лазерный импульс бьет по каждой капле, заставляя ионы излучать фотоны .
Джейсон Стюарт сравнивает этот процесс с микровзрывами сверхновых . Для расчетов инженеры использовали формулу Тейлора — фон Неймана — Седова, описывающую взрыв точечного источника . Чтобы олово не загрязняло дорогую оптику, камеру заполнили водородом, который вступает в реакцию с металлом и выводит его в виде газа станнана .
🏁 Финальный рывок и High NA 37:40
К 2012 году Intel инвестировала в ASML 4,1 миллиарда долларов, а Samsung и TSMC добавили еще 1,3 миллиарда . Клиенты теряли терпение, требуя поднять мощность источника до 200 ватт . Решающий прорыв произошел, когда инженеры применили двойной лазерный удар .
Первый слабый импульс расплющивает каплю олова в форму «блина», увеличивая площадь поверхности . Второй мощный импульс полностью испаряет этот «блин», создавая плазму с минимальным количеством мусора . В 2014 году установка наконец достигла мощности 100 ватт .
Характеристики современной машины High NA:
- Стоимость превышает 350 миллионов евро .
- Числовая апертура (NA) увеличена с 0,33 до 0,55 .
- Точность совмещения слоев (overlay) составляет один нанометр, что равно пяти атомам кремния .
- Манипулятор маски движется с ускорением 20 G, что в пять раз быстрее болида Формулы-1 .
Для доставки одной установки High NA требуется 250 контейнеров, 25 грузовиков и семь самолетов Boeing 747 . Процесс сборки проходит в чистых комнатах, где на кубический метр воздуха приходится не более 10 пылинок размером 0,1 микрона .
