Η πιο προηγμένη μηχανή της ASML είναι εκπληκτική. Λειτουργεί εκτοξεύοντας 50.000 σταγόνες λιωμένου κασσίτερου ανά δευτερόλεπτο σε έναν θάλαμο κενού. Κάθε σταγόνα δέχεται διπλό χτύπημα – πρώτα από έναν αδύναμο παλμό λέιζερ που την ισοπεδώνει σε ένα μικροσκοπικό «πανκέικ» και στη συνέχεια από έναν ισχυρό παλμό λέιζερ που την εξατμίζει. Η διαδικασία μετατρέπει κάθε σταγόνα σε θερμό πλάσμα, φτάνοντας σχεδόν τους 220.000°C, περίπου 40 φορές ζεστότερο από την επιφάνεια του Ήλιου, και εκπέμπει φως εξαιρετικά μικρού μήκους κύματος (ακραία υπεριώδη ακτινοβολία ή EUV). Αυτό το φως αντανακλάται από μια σειρά καθρεφτών τόσο λείων που οι ατέλειες μετρούνται σε τρισεκατομμυριοστά του μέτρου. Οι καθρέφτες εστιάζουν το φως πάνω σε μια μάσκα ή πρότυπο που περιέχει τα σχέδια των κυκλωμάτων του τσιπ. Τέλος, οι ακτίνες αναπηδούν από τη μάσκα πάνω σε ένα πυρίτιο καλυμμένο με φωτοευαίσθητα χημικά, αποτυπώνοντας το σχέδιο πάνω στο τσιπ.

Τα μηχανήματα της ASML είναι απαραίτητα για τη κατασκευή σύγχρονων τσιπ. Εταιρείες όπως η TSMC, η Samsung και η Intel βασίζονται σε αυτά για την παραγωγή προηγμένων επεξεργαστών, από επιταχυντές AI μέχρι τσιπ για κινητά τηλέφωνα. Καμία άλλη εταιρεία δεν κατασκευάζει μηχανήματα που να μπορούν να εκτυπώνουν αξιόπιστα τσιπ που ονομάζονται «7 νανομέτρα» (δισεκατομμύρια του μέτρου) και κάτω (αν και αυτοί οι όροι κάποτε σχετίζονταν με τη φυσική ανάλυση, τώρα χρησιμοποιούνται κυρίως για διαφημιστικούς σκοπούς). Ακόμα και για πιο ώριμες τεχνολογίες («4nm» και υψηλότερες), τα εργαλεία της εταιρείας αντιπροσωπεύουν πάνω από το 90% της αγοράς.

Ένα μικροτσίπ είναι σαν ένα ηλεκτρονικό λαζάνι: μια βάση τρανζίστορ με στρώματα καλωδίων χαλκού που μεταφέρουν δεδομένα και ενέργεια. Ένας επεξεργαστής τελευταίας γενιάς μπορεί να περιέχει πάνω από 100 δισεκατομμύρια τρανζίστορ, να έχει περισσότερα από 70 στρώματα και να διαθέτει περισσότερα από 100 χιλιόμετρα καλωδίων, όλα σε ένα κομμάτι πυριτίου περίπου 1,5 φορές το μέγεθος ενός τυπικού γραμματοσήμου. Για να κατασκευαστούν αυτά τα μικροσκοπικά χαρακτηριστικά, ένα μηχάνημα λιθογραφίας λειτουργεί σε στάδια, χαράζοντας σχέδια τρανζίστορ και μεταλλικών καλωδίων σε ένα δίσκο πυριτίου, στρώμα προς στρώμα. Ένας δίσκος μπορεί να περιέχει εκατοντάδες τσιπ.

Το μηχάνημα της ASML είναι σύνθετο, αλλά η βασική αρχή του είναι παρόμοια με αυτή ενός παλιού προβολέα διαφανειών: το φως περνάει από ένα στένσιλ για να προβάλει μια εικόνα σε μια επιφάνεια. Το μικρότερο χαρακτηριστικό που μπορεί να εκτυπώσει ένα εργαλείο οπτικής λιθογραφίας εξαρτάται κυρίως από δύο παράγοντες. Ο πρώτος είναι το μήκος κύματος του φωτός. Όπως ένα πιο λεπτό πινέλο επιτρέπει πιο λεπτομερείς πινελιές, τα μικρότερα μήκη κύματος επιτρέπουν μικρότερα σχέδια. Τα παλαιότερα συστήματα της ASML χρησιμοποιούσαν βαθιά υπεριώδη ακτινοβολία (DUV), με μήκη κύματος μεταξύ 248nm και 193nm, παράγοντας χαρακτηριστικά τόσο μικρά όσο τα 38nm.

Για να συρρικνώσει ακόμα περισσότερο τα χαρακτηριστικά των τσιπ, η ASML στράφηκε στην ακραία υπεριώδη ακτινοβολία (EUV), με μήκος κύματος 13,5nm. Ενώ η EUV εκπέμπεται φυσικά στο διάστημα από την κορώνα του Ήλιου, η παραγωγή του στη Γη είναι πολύ πιο δύσκολη. Η EUV απορροφάται πλήρως από τον αέρα, το γυαλί και τα περισσότερα υλικά, οπότε η διαδικασία πρέπει να γίνεται σε κενό, χρησιμοποιώντας ειδικούς καθρέφτες που αντανακλούν και κατευθύνουν το φως. Η ASML δαπάνησε δύο δεκαετίες για να τελειοποιήσει τη μέθοδο που εκτοξεύει λέιζερ σε σταγόνες λιωμένου κασσίτερου για να δημιουργήσει και να παράγει αυτό την φευγαλέα ακτίδα.

Ο άλλος παράγοντας που καθορίζει το μικρότερο μέγεθος των χαρακτηριστικών είναι το αριθμητικό διάφραγμα (NA) των καθρεφτών, ένα μέτρο του πόσο φως μπορούν να συλλέξουν και να εστιάσουν. Τα τελευταία συστήματα της ASML, που ονομάζονται υψηλό NA EUV, χρησιμοποιούν καθρέφτες με διάφραγμα 0,55, επιτρέποντας την εκτύπωση χαρακτηριστικών στα τσιπ τόσο μικρών όσο τα 8nm. Για να γίνουν ακόμα μικρότερα, η εταιρεία μελετάει αυτό που ονομάζει υπερ-NA, αυξάνοντας το διάφραγμα πάνω από 0,75, χρησιμοποιώντας ακόμα το υπάρχον φως EUV. Ένα υψηλότερο NA σημαίνει ότι οι καθρέφτες συλλέγουν και εστιάζουν το φως που έρχεται από ένα ευρύτερο φάσμα γωνιών, βελτιώνοντας την ακρίβεια. Αυτό έχει ένα κόστος. Μεγαλύτερα NA απαιτούν μεγαλύτερους καθρέφτες για να συλλέξουν και να κατευθύνουν τις διευρυμένες διόδους του φωτός. Όταν η ASML αύξησε το NA των μηχανημάτων της από 0,33 σε 0,55, οι καθρέφτες διπλασίασαν το μέγεθός τους και έγιναν δέκα φορές βαρύτεροι, ζυγίζοντας τώρα αρκετές εκατοντάδες κιλά. Η αύξηση του NA ξανά θα προσθέσει όγκο, αυξάνοντας τις ανησυχίες για την κατανάλωση ενέργειας.

Ένα άλλο εμπόδιο είναι η τιμολόγηση. Η ASML δεν αποκαλύπτει ακριβείς αριθμούς, αλλά το τελευταίο της μηχάνημα EUV είχε σχεδόν διπλάσιο κόστος από το προηγούμενο. Ένα σύστημα υπερ-NA θα ήταν ακόμα πιο ακριβό. Παρόλο που η εταιρεία προειδοποιεί ότι δεν υπάρχουν εγγυήσεις ότι θα παραχθεί ποτέ, ο Jos Benschop, επικεφαλής της τεχνολογίας της ASML, πιστεύει ότι ένα μηχάνημα υπερ-NA θα μπορούσε να ολοκληρωθεί, ανάλογα με τη ζήτηση, εντός των επόμενων πέντε έως δέκα ετών.

Ορισμένοι ερευνητές έχουν ήδη αρχίσει να σχεδιάζουν πέρα από το φως EUV, με στόχο μήκη κύματος γύρω στα 6nm. Κάτι τέτοιο θα απαιτούσε καινοτομίες στις πηγές του φωτός, την οπτική και το φωτοανθεκτικό (τη φωτοευαίσθητη επίστρωση στους δίσκους). Τα μικρότερα μήκη κύματος φέρνουν νέες προκλήσεις, συμπεριλαμβανομένου του «θορύβου βολής», ή των τυχαίων κινήσεων σωματιδίων που θολώνουν τα σχέδια. Ωστόσο, ο Yasin Ekinci του Ινστιτούτου Paul Scherrer, ενός ελβετικού ερευνητικού κέντρου, θεωρεί το θεωρεί ως «πλάνο Β» εάν το υπερ-NA αποτύχει να φέρει τα επιθυμητά αποτελέσματα.

Ενώ η ASML επεκτείνει τα όρια της οπτικής λιθογραφίας, η Κίνα -αποκομμένη από τα πιο προηγμένα εργαλεία κατασκευής τσιπ- προσπαθεί να εξάγει περισσότερα από τα παλαιότερα μηχανήματα ASML (ικανά για 28nm και πάνω) που ακόμα μπορεί και εισάγει. Μια προσέγγιση είναι των πολλαπλών μοτίβων (multi-patterning), όπου ένα σχέδιο σπάει σε πολλαπλά στάδια χάραξης, επιτρέποντας στο μηχάνημα να εκτυπώνει λεπτομέρειες δύο ή τέσσερις φορές μικρότερες. Η προσέγγιση είναι των πολλαπλών μοτίβων είναι αποτελεσματική, αλλά προσθέτει πολυπλοκότητα και επιβραδύνει την παραγωγή.

Η Κίνα προσπαθεί επίσης να κατασκευάσει τα δικά της εργαλεία λιθογραφίας. Η SMEE, μια κρατική εταιρεία, φέρεται να κάνει πρόοδο σε μια μηχανή ικανή να παράγει τσιπ 28nm χρησιμοποιώντας βαθιά υπεριώδη ακτινοβολία (DUV). Ωστόσο, η ανάπτυξη ενός συστήματος EUV είναι μια εντελώς διαφορετική πρόκληση. Ο Jeff Koch της ερευνητικής εταιρείας SemiAnalysis σημειώνει ότι πέρα από την κυριαρχία στο φως EUV, η Κίνα θα χρειαζόταν να αναπαράγει την τεράστια εφοδιαστική αλυσίδα της ASML, που φτάνει σε περισσότερους από 5.000 εξειδικευμένους προμηθευτές.

Επομένως, η κυριαρχία της ASML στην υψηλής ποιότητας λιθογραφία φαίνεται αδιαμφισβήτητη. Ωστόσο, η Canon, κάποτε ηγέτιδα της βιομηχανίας, στοιχηματίζει σε μια εναλλακτική λύση. Η λιθογραφία νανοεκτύπωσης (NIL) σφραγίζει τα σχέδια κυκλωμάτων απευθείας στους δίσκους, σαν μια τυπογραφική μηχανή. Θεωρητικά, η NIL θα μπορούσε να δημιουργήσει χαρακτηριστικά με ακρίβεια νανομέτρου, προσφέροντας μια φθηνή και συμπαγή ανταγωνίστρια των μηχανημάτων EUV της ASML.

Η διαδικασία NIL ξεκινά με τη δημιουργία μιας κύριας μάσκας (master mask) που έχει το πρότυπο του κυκλώματος χαραγμένο σε αυτή από μια δέσμη ηλεκτρονίων. Στη συνέχεια, σταγόνες ενός υγρού ρητίνης εφαρμόζονται στο δίσκο πριν η μάσκα πιέσει το σχέδιο του κυκλώματος στο δίσκο. Στη συνέχεια χρησιμοποιείται υπεριώδες φως για να στερεοποιηθεί η ρητίνη και να διαμορφωθούν τα σχέδια κυκλωμάτων, μετά από το οποίο η μάσκα αφαιρείται. Αυτό το βήμα επαναλαμβάνεται για κάθε στρώμα του τσιπ. Η Canon εκτιμά ότι η προσέγγισή της κοστίζει περίπου 40% λιγότερο από ένα αντίστοιχο μηχάνημα της ASML.

Για να γίνει η NIL κυρίαρχη τεχνολογία κατασκευής τσιπ, πρέπει να υπερβεί αρκετές προκλήσεις. Τα ελαττώματα είναι μια μεγάλη ανησυχία – μικροσκοπικά σωματίδια ή ατέλειες στο καλούπι μπορούν να δημιουργήσουν επαναλαμβανόμενα σφάλματα σε ολόκληρους δίσκους. Η ευθυγράμμιση είναι ένα άλλο εμπόδιο. Από τη στιγμή που τα τσιπ κατασκευάζονται σε στρώματα, τα σχέδια κυκλωμάτων κάθε στρώματος πρέπει να ευθυγραμμιστούν με ακρίβεια. Οποιαδήποτε παραλλαγή στην επίπεδη επιφάνεια του δίσκου ή ελαφριά αποσύνδεση μεταξύ του καλουπιού και του δίσκου μπορεί να προκαλέσει σφάλματα σε νανοκλίμακα, διαταράσσοντας τις ηλεκτρικές συνδέσεις. Η Canon ισχυρίζεται ότι το σύστημά της επιτυγχάνει ακρίβεια νανομέτρου, αλλά η διατήρηση αυτής της ακρίβειας συνεχώς κατά τη διάρκεια της παραγωγής είναι δύσκολη. Στη συνέχεια υπάρχει η απόδοση, ή πόσους δίσκους μπορεί να επεξεργαστεί μια μηχανή ανά ώρα. Τα εργαλεία υψηλού NA EUV της ASML μπορούν να χειριστούν πάνω από 180 δίσκους ανά ώρα, με ορισμένα παλαιότερα μοντέλα να φτάνουν σχεδόν στο διπλάσιο. Σε αντίθεση, το τελευταίο σύστημα NIL της Canon διαχειρίζεται μόνο 110 δίσκους ανά ώρα, καθιστώντας το λιγότερο κατάλληλο για την παραγωγή τσιπ υψηλού όγκου – προς το παρόν τουλάχιστον.

Μέχρι τώρα, η NIL έχει περισσότερη επιτυχία εκτός της κατασκευής ημιαγωγών, ιδιαίτερα στη δημιουργία οθονών κινητών τηλεφώνων και άλλων υψηλής ακρίβειας εξαρτημάτων. Η τεχνολογία αυτή εισέρχεται τώρα στην παραγωγή τσιπ μνήμης, όπου υψηλότεροι ρυθμοί ελαττωμάτων είναι πιο ανεκτοί από ότι στα τσιπ logic. Ο Iwamoto Kazunori, επικεφαλής του οπτικού τμήματος της Canon, πιστεύει ότι η NIL μπορεί να συνυπάρξει με τη λιθογραφία EUV, εκτελώντας φτηνά τα βήματα κατασκευής όπου μπορεί και αποφεύγοντας τις λεπτομέρειες.

Αυτή η καινοτομία θα μπορούσε να βοηθήσει τις εταιρείες να σχεδιάσουν ταχύτερα και πιο ενεργειακά αποδοτικά τσιπ ικανά να τροφοδοτήσουν μια νέα γενιά μοντέλων AI. Εάν η ASML δεν προσέξει, η πιο σημαντική μηχανή στον κόσμο μπορεί να μην διατηρήσει τον τίτλο της για πάντα.

Πηγή: The Economist