Jak działa litografia chipów – i dlaczego jedna firma ma na nią monopol

Drukowanie światłem w nanoskali

Każdy smartfon, laptop i centrum danych na Ziemi działa na chipach zbudowanych w procesie zwanym litografią – sztuce drukowania niewiarygodnie małych wzorów obwodów na płytkach krzemowych za pomocą światła. Jest to najważniejszy pojedynczy krok w produkcji półprzewodników, powtarzany dziesiątki razy na chip, i to on decyduje o tym, jak małe, szybkie i energooszczędne mogą być tranzystory.

Podstawowa zasada nie zmieniła się od lat 60. XX wieku. Wiązka światła przechodzi przez fotomaskę – szablon pożądanego wzoru obwodu – i rzutuje pomniejszony obraz na płytkę pokrytą materiałem światłoczułym zwanym fotorezystem. Tam, gdzie pada światło, chemicznie zmienia ono rezyst. Obszary nienaświetlone są zmywane, pozostawiając wzór, który stanie się tranzystorami, przewodami i innymi komponentami.

To, co zmieniło się dramatycznie, to długość fali tego światła. Krótsze fale mogą drukować mniejsze elementy. W ciągu sześciu dekad przemysł przeszedł od światła widzialnego (436 nm) do głębokiego ultrafioletu (193 nm) do dzisiejszej najnowocześniejszej technologii: litografii w ekstremalnym ultrafiolecie (EUV) o długości zaledwie 13,5 nm.

Jak działa litografia EUV

Maszyny EUV należą do najbardziej złożonych urządzeń, jakie kiedykolwiek zbudowano. Wewnątrz komory próżniowej laser o dużej mocy wystrzeliwuje 100 000 impulsów na sekundę w maleńkie kropelki stopionej cyny. Każda kropla jest uderzana dwukrotnie: pierwszy impuls ją spłaszcza, drugi przegrzewa do około 220 000 °C – około 40 razy więcej niż temperatura powierzchni Słońca. Powoduje to powstanie plazmy, która emituje ekstremalne promieniowanie ultrafioletowe.

Ponieważ światło EUV jest pochłaniane przez prawie wszystko, w tym powietrze i szkło, cała ścieżka optyczna musi działać w próżni. Tradycyjne soczewki szklane nie mogą być używane. Zamiast tego światło odbija się od serii sześciu ultraprecyzyjnych luster pokrytych naprzemiennymi warstwami molibdenu i krzemu, z których każde jest polerowane do subatomowej gładkości przez niemiecką firmę Zeiss. Lustra te kierują i skupiają światło przez fotomaskę i na płytkę poniżej.

Rezultat: elementy obwodów o wielkości zaledwie 3 nanometrów – mniej więcej szerokość 15 atomów. EUV weszło do masowej produkcji w 2019 roku i obecnie stanowi podstawę każdego najnowocześniejszego chipu od Apple, Nvidii i Qualcomm.

Nadzwyczajny monopol ASML

Tylko jedna firma na Ziemi buduje maszyny do litografii EUV: ASML, z siedzibą w Veldhoven w Holandii. Posiada 100% udziału w rynku. Każdy system EUV kosztuje około 150–200 milionów euro, waży ponad 150 ton i wymaga komponentów od ponad 800 dostawców na całym świecie. Rozwój trwał ponad 20 lat i pochłonął miliardy dolarów na badania we współpracy z Intelem, Samsungiem i TSMC.

Dziś ASML sprzedaje swoje najbardziej zaawansowane maszyny tylko garstce producentów chipów. TSMC, Samsung i Intel odpowiadają za zdecydowaną większość zamówień. Ta koncentracja czyni ASML jedną z najważniejszych strategicznie firm w globalnej gospodarce – i punktem centralnym napięć geopolitycznych o to, kto uzyska dostęp do najnowocześniejszych technologii chipowych.

Co będzie po EUV

Nawet EUV ma swoje ograniczenia. ASML już dostarcza systemy High-NA (apertura numeryczna) EUV, które jeszcze bardziej zwiększają rozdzielczość, celując w węzeł 2 nm i dalej. Firma ogłosiła plany dotyczące narzędzi hyper-NA o jeszcze większej precyzji, potencjalnie kosztujących ponad 700 milionów dolarów każdy, spodziewanych około 2030 roku.

Tymczasem startupy badają radykalnie odmienne podejścia. Norweska firma Lace Lithography opracowuje litografię wiązką atomów helu, która całkowicie zastępuje światło neutralnymi atomami. Ponieważ atomy nie mają granicy dyfrakcji, wiązka mierzy zaledwie 0,1 nm – 135 razy mniej niż światło EUV. Inne kandydatury obejmują litografię nanoimprintową, litografię wiązką elektronów i podejścia wykorzystujące promieniowanie rentgenowskie.

Niezależnie od tego, czy następny przełom nastąpi dzięki udoskonaleniu światła, czy całkowitemu jego porzuceniu, jedno jest jasne: litografia pozostaje wąskim gardłem i motorem prawa Moore'a. Ten, kto opanuje następną generację, ukształtuje przyszłość komputerów.