Jak funguje čipová litografie – a proč ji ovládá jediná firma

Tisk světlem v nanoměřítku

Každý smartphone, notebook a datové centrum na Zemi funguje na čipech vyrobených procesem zvaným litografie – umění tisku neuvěřitelně malých obvodových vzorů na křemíkové pláty pomocí světla. Je to nejdůležitější krok ve výrobě polovodičů, opakovaný desítkykrát na každý čip, a určuje, jak malé, rychlé a energeticky účinné tranzistory mohou být.

Základní princip se od 60. let nezměnil. Svazek světla prochází fotomaskou – šablonou požadovaného obvodového vzoru – a promítá zmenšený obraz na plát potažený materiálem citlivým na světlo, zvaným fotoresist. Tam, kde světlo dopadne, chemicky změní resist. Neexponované oblasti se smyjí a zanechají vzor, ze kterého se stanou tranzistory, vodiče a další komponenty.

Co se dramaticky změnilo, je vlnová délka tohoto světla. Kratší vlnové délky mohou tisknout menší prvky. Během šesti desetiletí se průmysl posunul od viditelného světla (436 nm) přes hluboké ultrafialové (193 nm) až po dnešní špičku: extrémní ultrafialovou (EUV) litografii s pouhými 13,5 nm.

Jak funguje EUV litografie

EUV stroje patří mezi nejsložitější zařízení, jaká kdy byla vyrobena. Uvnitř vakuové komory vystřeluje vysoce výkonný laser 100 000 pulzů za sekundu na drobné kapičky roztaveného cínu. Každá kapička je zasažena dvakrát: první pulz ji zploští, druhý ji přehřeje na zhruba 220 000 °C – asi 40krát více, než je teplota povrchu Slunce. Tím vzniká plazma, která vyzařuje extrémní ultrafialové světlo.

Protože EUV světlo je absorbováno téměř vším, včetně vzduchu a skla, musí celý optický systém pracovat ve vakuu. Tradiční skleněné čočky nelze použít. Místo toho se světlo odráží od série šesti ultra-přesných zrcadel potažených střídavými vrstvami molybdenu a křemíku, z nichž každé je vyleštěno na subatomární hladkost německou firmou Zeiss. Tato zrcadla směrují a zaostřují světlo přes fotomasku a na plát pod ní.

Výsledkem jsou obvodové prvky o velikosti pouhých 3 nanometrů – zhruba šířka 15 atomů. EUV vstoupila do masové výroby v roce 2019 a nyní je základem každého špičkového čipu od společností Apple, Nvidia a Qualcomm.

Mimořádný monopol společnosti ASML

Pouze jedna společnost na Zemi vyrábí EUV litografické stroje: ASML, se sídlem ve Veldhovenu v Nizozemsku. Drží 100% podíl na trhu. Každý EUV systém stojí zhruba 150–200 milionů eur, váží přes 150 tun a vyžaduje komponenty od více než 800 dodavatelů po celém světě. Vývoj trval přes 20 let a stál miliardy dolarů v rámci společného výzkumu se společnostmi Intel, Samsung a TSMC.

Dnes ASML prodává své nejpokročilejší stroje pouze hrstce výrobců čipů. TSMC, Samsung a Intel tvoří drtivou většinu objednávek. Tato koncentrace činí z ASML jednu z nejdůležitějších společností v globální ekonomice – a ohnisko geopolitického napětí ohledně toho, kdo získá přístup ke špičkové čipové technologii.

Co bude po EUV

I EUV má své limity. ASML již dodává systémy High-NA (numerická apertura) EUV, které posouvají rozlišení dále a cílí na 2nm uzel a dále. Společnost oznámila plány na hyper-NA nástroje s ještě větší přesností, které by mohly stát přes 700 milionů dolarů za kus a očekávají se kolem roku 2030.

Mezitím startupy zkoumají radikálně odlišné přístupy. Norská společnost Lace Lithography vyvíjí litografii s heliovým atomovým svazkem, která zcela nahrazuje světlo neutrálními atomy. Protože atomy nemají difrakční limit, svazek měří pouhých 0,1 nm – 135krát méně než EUV světlo. Mezi další kandidáty patří nanoimprint litografie, litografie s elektronovým svazkem a rentgenové přístupy.

Ať už další průlom přijde zdokonalením světla, nebo jeho úplným opuštěním, jedno je jasné: litografie zůstává úzkým hrdlem a zároveň hybnou silou Moorova zákona. Kdokoli zvládne příští generaci, bude utvářet budoucnost výpočetní techniky.