Ako funguje čipová litografia – a prečo ju ovláda jediná firma

Tlač svetlom v nanorozmeroch

Každý smartfón, laptop a dátové centrum na Zemi funguje na čipoch vyrobených procesom nazývaným litografia – umenie tlače neuveriteľne malých obvodových vzorov na kremíkové platne pomocou svetla. Je to najkritickejší krok vo výrobe polovodičov, ktorý sa opakuje desiatkykrát na jeden čip a určuje, aké malé, rýchle a energeticky efektívne môžu byť tranzistory.

Základný princíp sa nezmenil od 60. rokov 20. storočia. Lúč svetla prechádza cez fotomasku – šablónu požadovaného obvodového vzoru – a premieta zmenšený obraz na platňu potiahnutú materiálom citlivým na svetlo, nazývaným fotorezist. Tam, kde dopadne svetlo, chemicky zmení rezist. Neexponované oblasti sa odplavia a zanechajú vzor, z ktorého sa stanú tranzistory, vodiče a ďalšie komponenty.

Čo sa dramaticky zmenilo, je vlnová dĺžka tohto svetla. Kratšie vlnové dĺžky dokážu tlačiť menšie prvky. Počas šiestich desaťročí sa priemysel posunul od viditeľného svetla (436 nm) cez hlboké ultrafialové (193 nm) až po dnešnú špičku: extrémne ultrafialovú (EUV) litografiu s iba 13,5 nm.

Ako funguje EUV litografia

EUV stroje patria medzi najzložitejšie zariadenia, aké boli kedy postavené. Vo vnútri vákuovej komory vystreľuje vysokovýkonný laser 100 000 impulzov za sekundu na drobné kvapôčky roztaveného cínu. Každá kvapôčka je zasiahnutá dvakrát: prvý impulz ju sploští, druhý ju prehreje na približne 220 000 °C – čo je asi 40-krát viac ako teplota povrchu Slnka. Týmto vzniká plazma, ktorá vyžaruje extrémne ultrafialové svetlo.

Pretože EUV svetlo je absorbované takmer všetkým, vrátane vzduchu a skla, celá optická dráha musí fungovať vo vákuu. Tradičné sklenené šošovky sa nedajú použiť. Namiesto toho sa svetlo odráža od série šiestich ultra-presných zrkadiel potiahnutých striedajúcimi sa vrstvami molybdénu a kremíka, z ktorých každé je vyleštené na sub-atómovú hladkosť nemeckou spoločnosťou Zeiss. Tieto zrkadlá smerujú a zaostrujú svetlo cez fotomasku a na platňu pod ňou.

Výsledok: obvodové prvky s veľkosťou iba 3 nanometre – približne šírka 15 atómov. EUV vstúpila do sériovej výroby v roku 2019 a teraz je základom každého špičkového čipu od spoločností Apple, Nvidia a Qualcomm.

Mimoriadny monopol spoločnosti ASML

Iba jedna spoločnosť na Zemi vyrába EUV litografické stroje: ASML so sídlom vo Veldhovene v Holandsku. Drží 100% podiel na trhu. Každý EUV systém stojí približne 150 – 200 miliónov eur, váži viac ako 150 ton a vyžaduje komponenty od viac ako 800 dodávateľov z celého sveta. Vývoj trval viac ako 20 rokov a stál miliardy dolárov v spoločnom výskume so spoločnosťami Intel, Samsung a TSMC.

Dnes ASML predáva svoje najpokročilejšie stroje iba hŕstke výrobcov čipov. TSMC, Samsung a Intel tvoria drvivú väčšinu objednávok. Táto koncentrácia robí z ASML jednu z najstrategickejšie dôležitých spoločností v globálnej ekonomike – a ústredný bod geopolitického napätia o to, kto získa prístup k špičkovej čipovej technológii.

Čo príde po EUV

Aj EUV má svoje limity. ASML už dodáva systémy High-NA (numerická apertúra) EUV, ktoré posúvajú rozlíšenie ďalej a zameriavajú sa na 2 nm uzol a viac. Spoločnosť oznámila plány na hyper-NA nástroje s ešte väčšou presnosťou, ktoré by mohli stáť viac ako 700 miliónov dolárov za kus a očakávajú sa okolo roku 2030.

Medzitým startupy skúmajú radikálne odlišné prístupy. Nórska spoločnosť Lace Lithography vyvíja litografiu s lúčom atómov hélia, ktorá úplne nahrádza svetlo neutrálnymi atómami. Pretože atómy nemajú difrakčný limit, lúč meria iba 0,1 nm – 135-krát užší ako EUV svetlo. Medzi ďalších kandidátov patrí nanoimprint litografia, litografia s elektrónovým lúčom a röntgenové prístupy.

Či už ďalší prelom príde zo zdokonaľovania svetla alebo z jeho úplného opustenia, jedno je jasné: litografia zostáva úzkym hrdlom a umožňovateľom Moorovho zákona. Ten, kto zvládne ďalšiu generáciu, bude formovať budúcnosť výpočtovej techniky.