Hogyan működik a chipgyártás litográfiával – és miért birtokolja egyetlen cég az egész piacot

Fénnyel történő nyomtatás nanoméretben

Minden okostelefon, laptop és adatközpont a Földön olyan chipeken fut, amelyek egy litográfiának nevezett eljárással készülnek – ez a lehetetlenül kicsi áramköri minták fénnyel történő szilíciumlapkákra nyomtatásának művészete. Ez a legkritikusabb lépés a félvezetőgyártásban, amelyet egy chipen több tucatszor megismételnek, és meghatározza, hogy a tranzisztorok milyen kicsik, gyorsak és energiahatékonyak lehetnek.

Az alapelv az 1960-as évek óta nem változott. Egy fénysugár áthalad egy fotomaszkon – a kívánt áramköri minta sablonján –, és egy zsugorított képet vetít egy fényérzékeny anyaggal, úgynevezett fotorezisztel bevont lapkára. Ahol a fény eltalálja, kémiailag megváltoztatja a rezisztet. A nem exponált területeket lemossák, így hátramarad az a minta, amelyből tranzisztorok, vezetékek és más alkatrészek lesznek.

Ami drámaian megváltozott, az a fény hullámhossza. A rövidebb hullámhosszak kisebb elemeket képesek nyomtatni. Hat évtized alatt az ipar a látható fényről (436 nm) a mély ultraibolya (193 nm) fényre, majd a mai csúcstechnológiára, a szélsőséges ultraibolya (EUV) litográfiára tért át, mindössze 13,5 nm-en.

Hogyan működik az EUV litográfia

Az EUV gépek a valaha épített legösszetettebb eszközök közé tartoznak. Egy vákuumkamrában egy nagy teljesítményű lézer másodpercenként 100 000 impulzust lő ki apró, olvadt óncseppekre. Minden cseppet kétszer ér találat: az első impulzus ellapítja, a második pedig körülbelül 220 000 °C-ra hevíti túl – ez körülbelül 40-szer forróbb, mint a Nap felszíne. Ez egy plazmát hoz létre, amely szélsőséges ultraibolya fényt bocsát ki.

Mivel az EUV fényt szinte minden elnyeli, beleértve a levegőt és az üveget is, a teljes optikai útnak vákuumban kell működnie. Hagyományos üveglencsék nem használhatók. Ehelyett a fény egy sor hat ultraprecíz tükörről verődik vissza, amelyek váltakozó molibdén- és szilíciumrétegekkel vannak bevonva, és amelyeket a német Zeiss szubatomi simaságúra polírozott. Ezek a tükrök irányítják és fókuszálják a fényt a fotomaszkon keresztül az alatta lévő lapkára.

Az eredmény: akár 3 nanométeres áramköri elemek – nagyjából 15 atom szélessége. Az EUV 2019-ben kezdte meg a tömeggyártást, és ma az Apple, az Nvidia és a Qualcomm minden élvonalbeli chipjének alapját képezi.

Az ASML rendkívüli monopóliuma

A Földön csak egyetlen vállalat gyárt EUV litográfiai gépeket: az ASML, amelynek székhelye a hollandiai Veldhovenben található. 100%-os piaci részesedéssel rendelkezik. Egy EUV rendszer ára körülbelül 150–200 millió euró, súlya több mint 150 tonna, és világszerte több mint 800 beszállítótól igényel alkatrészeket. A fejlesztés több mint 20 évet vett igénybe, és több milliárd dollárba került az Intel, a Samsung és a TSMC közös kutatásával.

Ma az ASML a legfejlettebb gépeit csak néhány chipgyártónak adja el. A TSMC, a Samsung és az Intel teszik ki a megrendelések túlnyomó többségét. Ez a koncentráció az ASML-t a globális gazdaság egyik stratégiailag legfontosabb vállalatává teszi – és a geopolitikai feszültség középpontjába helyezi, amiatt, hogy ki férhet hozzá a csúcstechnológiás chipekhez.

Mi következik az EUV után

Még az EUV-nak is vannak korlátai. Az ASML már szállítja a High-NA (numerikus apertúra) EUV rendszereket, amelyek tovább növelik a felbontást, megcélozva a 2 nm-es csomópontot és azon túl. A vállalat bejelentette a még nagyobb pontosságú hyper-NA eszközök terveit, amelyek darabonként potenciálisan több mint 700 millió dollárba kerülhetnek, és várhatóan 2030 körül jelennek meg.

Eközben a startupok radikálisan eltérő megközelítéseket vizsgálnak. A norvégiai Lace Lithography hélium atomnyalábos litográfiát fejleszt, amely a fényt teljesen semleges atomokkal helyettesíti. Mivel az atomoknak nincs diffrakciós határa, a nyaláb mindössze 0,1 nm – 135-ször keskenyebb, mint az EUV fény. További jelöltek a nanoimprint litográfia, az elektronnyalábos litográfia és a röntgenes megközelítések.

Akár a fény finomításából, akár a teljes elhagyásából származik a következő áttörés, egy dolog világos: a litográfia továbbra is a Moore-törvény szűk keresztmetszete és lehetővé tevője. Aki elsajátítja a következő generációt, az alakítja a számítástechnika jövőjét.