#025 · ASML's Mirrors - Most Precise Ever Made

A mirror in Baden-Württemberg, polished for the better part of a year by a focused beam of argon ions, is flat to within fifty picometres — half the width of an atom. Six of them, stacked inside a Dutch machine the size of a city bus, are why your phone exists.

In a clean room in Oberkochen, a small Swabian town between Stuttgart and Munich, a glass-ceramic blank the size of a dinner plate sits on a stage being bombarded with argon ions. Each ion knocks loose roughly one atom of material from the surface. The mirror has been on this stage, or one like it, for months. When it is finally finished, checked, recoated, and checked again, it will be flat to within fifty picometres, which is less than the diameter of a hydrogen atom. It will cost more than a hundred million euros. And it will be one of six or so similar mirrors inside a single machine that is, in turn, the only kind of machine on Earth capable of printing the patterns on the chip in your phone.

The machine is built by ASML, a Dutch company headquartered in Veldhoven. The mirrors are built by Carl Zeiss SMT, the semiconductor division of the German optics house in Oberkochen. Between them they have a monopoly on a piece of physics that is, by any reasonable measure, the hardest engineering anyone has ever pulled off.

ASML Holding N.V. logo Pixelpatser · BY-SA 4.0

Why mirrors at all

The reason has to do with the wavelength of the light you draw with. To pack more transistors onto a chip, you need finer lines, and finer lines need shorter wavelengths. For thirty years the industry crept down through the ultraviolet — 365 nm, 248 nm, 193 nm — using ordinary refractive lenses made of fused quartz. Below 193 nm, quartz starts absorbing the light. Below about 100 nm, every material absorbs the light. There are no lenses you can use, because there is no transparent substance.

Inside an ASML cleanroom Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Extreme ultraviolet light is shorter still: 13.5 nm, in the soft-X-ray range. It is absorbed by air, by glass, by most metals. You cannot focus it with a lens. You cannot even let it travel through the room. The entire optical column of an EUV machine sits inside a vacuum, and every surface the light touches has to be a mirror — and not an ordinary mirror, because a single layer of any element reflects almost no EUV at all.

What Zeiss makes instead is a stack. The mirror substrate is a glass-ceramic called Zerodur, chosen because it barely expands when heated. Onto it, in a vacuum chamber, the company deposits roughly a hundred alternating layers of molybdenum and silicon, each three or four atoms thick. The spacing is tuned so that the faint reflections from each interface add up in phase, like a Bragg crystal. Even then, only about 70 per cent of the light bounces back. Six bounces later, half your light is gone.

The polish

The geometric tolerances on these mirrors are what make people stare. A typical Zeiss specification quotes a surface figure error of around fifty picometres root-mean-square over an aperture of roughly thirty centimetres. Scaled up so that the mirror covered Germany, the largest bump would be about a millimetre.

A Zeiss polishing facility shows a large mirror blank mounted in a quiet Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

You cannot get there by grinding. You start by grinding — coarse diamond tools, then progressively finer slurries, the same trade that has made telescope mirrors for two hundred years — and you finish, more or less, at the limits of what mechanical contact can do. Then you switch to ion beam figuring. A focused beam of argon ions, steered by a computer over a map of the residual high spots, sputters away material an atom at a time. The map itself comes from interferometry against a reference flat that has been calibrated against another reference flat that has been calibrated, ultimately, against a sphere whose roundness is measured by rotating it on a bearing while another interferometer watches. The whole metrology chain is its own decades-long story.

The polishing run on a single high-NA mirror lasts, by Zeiss's own accounts, the better part of a year. The mirror is repeatedly recoated, remeasured, and put back on the ion beam. It is then assembled into a mount whose thermal stability and vibration isolation are themselves the subject of doctoral theses, and shipped from Oberkochen to Veldhoven, where ASML integrates it into a system the size of a city bus.

Ton Willekens wih a lens from ASML (cropped) The Next Web · BY-SA 2.0

How we got here

None of this was obvious. In the 1980s, when Lawrence Livermore National Laboratory and a handful of other US labs began arguing that EUV might be the future of chipmaking, the consensus was that the optical tolerances were impossible. The American research consortium SEMATECH funded the EUV LLC in 1997 — Intel, Motorola, AMD, and the national labs, with a budget of around 250 million dollars — to find out. Most of the early breakthroughs on multilayer coatings came out of Livermore and Berkeley. ASML, then a small Dutch carve-out from Philips, won the contract to build the prototype scanner. The first production EUV tool, the NXE:3300, shipped in 2013, sixteen years after the consortium started. The first chips printed entirely with EUV, in TSMC's N5 node, appeared in 2020.

An extreme macro material study of an EUV multilayer mirror: the polished surface curves i Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

The current generation, called High-NA EUV, uses anamorphic mirrors that are not round but oval, magnifying the image four times in one direction and eight in the other. The first one was delivered to Intel in Hillsboro at the end of 2023 and accepted in 2024. It cost roughly 380 million dollars.

What we still don't know

We do not know whether the line can be pushed much further. Below about 8 nm wavelengths, the multilayer coating physics that makes the molybdenum-silicon stack work begins to fail; the candidate materials for any beyond-EUV mirror are still in the lab. Whether the industry's next jump comes from shorter light or from stacking transistors vertically is an active argument.

We also do not know how long the monopoly holds. Zeiss SMT employs perhaps two thousand people on this product line; the knowledge is largely tacit, embedded in the polishers and metrologists who actually do the work. The Chinese government has reportedly committed tens of billions to building a domestic equivalent. Nobody outside Oberkochen has any clear sense of how close they are.

Ion beam figuring in progress: a focused beam gently removes atoms from a mirror surface i Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

And we do not really know what the long-term failure modes look like. ASML ships only a few dozen EUV machines a year. The number of years of continuous operation on the early ones is still small. Picometre-flat mirrors, hit by plasma light in a vacuum chamber for a decade, eventually do something. What, exactly, is something the world's largest fabs are finding out in real time.

The chip in your pocket exists because, somewhere in Baden-Württemberg, someone is shooting argon atoms at a piece of glass and counting them.

在巴登-符腾堡州，一面镜子在聚焦氩离子束下历经大半年的精研，其平整度误差已不足五十皮米——仅为原子宽度的一半。六面这样的镜子，叠放在一台公交车大小的荷兰机器里，它们便是你手机存在的理由。

在Oberkochen——这座位于斯图加特和慕尼黑之间的施瓦本小镇——的一间洁净室里，一块餐盘大小的微晶玻璃毛坯正静置在工作台上，接受着氩离子的轰击。每一个离子都会从表面撞击出大约一个原子的材料。这面反射镜已经在这个或类似的工作台上放置了数月之久。当它最终完工、检测、重新涂层并再次检测后，其平整度误差将控制在50皮米以内，这甚至小于一个氢原子的直径。它的造价将超过一亿欧元。而它将是一台机器内部六面左右类似反射镜之一，而这台机器，则是地球上唯一能够在你手机芯片上打印图案的机器。

这台机器由总部位于Veldhoven的荷兰公司ASML制造。而反射镜则由位于奥伯科亨的德国光学巨头蔡司的半导体部门Carl Zeiss SMT打造。两家公司联手垄断了一项物理技术，无论从哪个合理的衡量标准来看，这都是人类迄今为止完成的最艰巨的工程挑战。

ASML Holding N.V. logo Pixelpatser · BY-SA 4.0

为何非要用反射镜

原因在于绘图所用光的波长。为了在芯片上容纳更多晶体管，你需要更精细的线条，而更精细的线条需要更短的波长。三十年来，半导体行业一直使用由熔融石英制成的普通折射透镜，在紫外光谱中艰难下探——365纳米、248纳米、193纳米。然而，一旦低于193纳米，石英就开始吸收光线。当波长低于约100纳米时，所有材料都会吸收光线。此时，世间已无透明物质，自然也就没有透镜可用。

Extreme ultraviolet（极紫外光）的波长更短：13.5纳米，处于软X射线范围。它会被空气、玻璃和大多数金属吸收。你无法用透镜对其聚焦，甚至不能让它在空气中传播。因此，EUV机器的整个光学镜筒都置于真空环境里，光线接触到的每一个表面都必须是反射镜——而且不能是普通的反射镜，因为任何元素的单层膜几乎都无法反射EUV。

蔡司制造的是一种多层堆叠结构。反射镜的基底是一种名为Zerodur的微晶玻璃，选用它是因其受热几乎不膨胀。在真空腔体中，公司会在基底上沉积约一百层交替出现的钼和硅，每层仅有三四个原子厚。层间距经过精密调校，使得每个界面的微弱反射都能实现同相位叠加，就像布拉格晶体一样。即便如此，也只有约70%的光线能被反射回来。经过六次反射后，一半的光能便已损耗殆尽。

抛光工艺

这些反射镜的几何公差之严苛，令人瞠目结舌。蔡司的一项典型技术指标要求，在约30厘米的孔径范围内，表面形貌误差的均方根值约为50皮米。如果将这面反射镜放大到覆盖整个德国的面积，那么最大的凸起也只有约1毫米高。

这种精度无法通过研磨实现。起步阶段确实是研磨——先用粗糙的金刚石工具，再用逐渐变细的研磨液，这与两百年来制造天文望远镜镜片的行当并无二致——但当你达到机械接触所能实现的极限时，工艺便告一段落。随后，你需要转向ion beam figuring（离子束修形）。一束受计算机控制的聚焦氩离子流，根据残余高点的分布图，以一次一个原子的速度剥离材料。这张分布图本身源自干涉测量，通过与一个参考平面对比得出，而该参考平面又校准自另一个参考平面，最终溯源至一个球体，其圆度是通过在轴承上旋转并由另一台干涉仪监测来测量的。整个计量链本身就是一个跨越数十年的传奇故事。

根据蔡司自己的说法，抛光一面高数值孔径（High-NA）反射镜需要大半年的时间。反射镜会被反复涂层、测量，并重新放回离子束下处理。随后，它被装入一个镜座，其热稳定性和隔振性能本身就是博士论文的研究课题。最后，它从奥伯科亨运往费尔德霍芬，由ASML将其集成到一套体积如城市公交车般巨大的系统中。

溯源往昔

这一切在最初并非显而易见。20世纪80年代，当Lawrence Livermore National Laboratory和少数几家美国实验室开始主张EUV可能是芯片制造的未来时，主流共识认为光学公差是不可能实现的。美国研究财团SEMATECH于1997年资助成立了EUV LLC（成员包括英特尔、摩托罗拉、AMD和国家实验室，预算约为2.5亿美元）以探寻真相。多层涂层技术的许多早期突破都出自利弗莫尔和伯克利。当时刚从飞利浦剥离出来的荷兰小公司ASML赢得了制造原型光刻机的合同。第一台量产型EUV工具NXE:3300于2013年交付，距财团成立已过去十六年。2020年，台积电N5工艺节点首次出现了完全由EUV打印出的芯片。

当前这一代被称为High-NA EUV，使用的是非等比例变形反射镜，形状不是圆形而是椭圆形，能将图像在一个方向放大四倍，在另一个方向放大八倍。首台机器于2023年底交付给英特尔位于希尔斯伯勒的工厂，并于2024年通过验收。其造价约为3.8亿美元。

未知的前方

我们不知道这一路线还能走多远。当波长低于约8纳米时，使钼硅堆叠结构奏效的多层涂层物理机制开始失效；任何超越EUV的反射镜候选材料仍停留在实验室阶段。行业的下一次飞跃是来自更短波长的光，还是来自晶体管的垂直堆叠，目前仍是一个争论不休的话题。

我们也不知道这种垄断能维持多久。蔡司SMT在这条产品线上雇佣了约两千人；这些知识在很大程度上是隐性的，深植于那些真正动手操作的抛光师和计量师的经验中。据报道，中国政府已投入数百亿资金用于打造本土替代方案。但在奥伯科亨之外，没人清楚他们究竟有多接近成功。

而且，我们并不真正了解长期的失效模式。ASML每年仅交付几十台EUV机器。早期机器持续运行的年限尚短。在真空腔体中经受十年等离子体光的照射，即使是皮米级平整度的反射镜也终究会发生某些变化。至于具体的后果，全球最大的晶圆厂正在实时见证答案。

你口袋里的芯片之所以存在，是因为在巴登-符腾堡州的某个地方，正有人对着一块玻璃发射氩原子，并精确计数。

Sebuah cermin di Baden-Württemberg, dipoles selama hampir setahun penuh oleh berkas ion argon terfokus, rata hingga lima puluh pikometer — separuh lebar sebuah atom. Enam buah cermin ini, yang tersusun di dalam mesin buatan Belanda seukuran bus kota, adalah alasan keberadaan ponsel Anda.

Di sebuah ruang bersih di Oberkochen, sebuah kota kecil di Swabia yang terletak di antara Stuttgart dan Munich, sebuah bakal keramik-kaca seukuran piring makan berada di atas panggung sembari dibombardir dengan ion argon. Setiap ion melepaskan kira-kira satu atom material dari permukaannya. Cermin ini telah berada di panggung ini, atau yang serupa dengannya, selama berbulan-bulan. Ketika akhirnya selesai, diperiksa, dilapisi ulang, dan diperiksa kembali, permukaannya akan rata dalam rentang lima puluh pikometer, yang berarti kurang dari diameter sebuah atom hidrogen. Biayanya akan mencapai lebih dari seratus juta euro. Dan benda ini akan menjadi salah satu dari enam atau lebih cermin serupa di dalam sebuah mesin tunggal yang, pada gilirannya, merupakan satu-satunya jenis mesin di Bumi yang mampu mencetak pola pada cip di ponsel Anda.

Mesin tersebut dibuat oleh ASML, sebuah perusahaan Belanda yang bermarkas di Veldhoven. Cermin-cerminnya dibuat oleh Carl Zeiss SMT, divisi semikonduktor dari perusahaan optik Jerman di Oberkochen. Di antara keduanya, mereka memegang monopoli atas sekelumit fisika yang, menurut standar masuk akal apa pun, merupakan rekayasa tersulit yang pernah berhasil diwujudkan oleh manusia.

ASML Holding N.V. logo Pixelpatser · BY-SA 4.0

Mengapa harus cermin

Alasannya berkaitan dengan panjang gelombang cahaya yang Anda gunakan untuk melukis. Untuk memadatkan lebih banyak transistor ke dalam sebuah cip, Anda memerlukan garis-garis yang lebih halus, dan garis yang lebih halus membutuhkan panjang gelombang yang lebih pendek. Selama tiga puluh tahun, industri ini merayap turun melalui spektrum ultraviolet — 365 nm, 248 nm, 193 nm — menggunakan lensa refraksi biasa yang terbuat dari kuarsa leburan. Di bawah 193 nm, kuarsa mulai menyerap cahaya. Di bawah sekitar 100 nm, setiap material menyerap cahaya. Tidak ada lensa yang bisa Anda gunakan, karena tidak ada zat yang transparan.

Cahaya Extreme ultraviolet bahkan lebih pendek lagi: 13,5 nm, masuk dalam rentang sinar-X lunak. Cahaya ini diserap oleh udara, oleh kaca, dan oleh sebagian besar logam. Anda tidak bisa memfokuskannya dengan lensa. Anda bahkan tidak bisa membiarkannya merambat melalui ruangan. Seluruh kolom optik mesin EUV berada di dalam ruang hampa, dan setiap permukaan yang disentuh cahaya harus berupa cermin — dan bukan cermin biasa, karena satu lapisan unsur apa pun hampir tidak memantulkan EUV sama sekali.

Apa yang dibuat Zeiss sebagai gantinya adalah sebuah tumpukan lapisan. Substrat cerminnya berupa keramik-kaca yang disebut Zerodur, dipilih karena material ini nyaris tidak memuai saat dipanaskan. Di atasnya, di dalam ruang hampa, perusahaan mengendapkan sekitar seratus lapisan molibdenum dan silikon yang berselang-seling, masing-masing setebal tiga atau empat atom. Jaraknya disetel sedemikian rupa sehingga pantulan lemah dari setiap antarmuka menjumlah secara sefase, layaknya kristal Bragg. Meski begitu, hanya sekitar 70 persen cahaya yang terpantul kembali. Enam pantulan kemudian, separuh cahaya Anda telah lenyap.

Pemolesan

Toleransi geometris pada cermin-cermin inilah yang membuat orang terbelalak. Spesifikasi tipikal Zeiss mencantumkan galat figur permukaan sekitar lima puluh pikometer *root-mean-square* pada bukaan sekitar tiga puluh sentimeter. Jika diperbesar hingga cermin itu menutupi seluruh wilayah Jerman, tonjolan terbesarnya hanya akan setinggi sekitar satu milimeter.

Anda tidak bisa mencapai tingkat itu dengan pengasahan. Anda memulainya dengan pengasahan — menggunakan alat intan kasar, lalu bubur pemoles yang semakin halus, keahlian yang sama yang telah menghasilkan cermin teleskop selama dua ratus tahun — dan Anda berakhir, kurang lebih, di ambang batas kemampuan kontak mekanis. Kemudian Anda beralih ke ion beam figuring. Sebuah berkas terfokus ion argon, yang dikendalikan oleh komputer di atas peta titik-titik tinggi yang tersisa, mengikis material satu atom demi satu atom. Peta itu sendiri berasal dari interferometri terhadap bidang acuan rata yang telah dikalibrasi terhadap bidang acuan rata lainnya yang, pada akhirnya, dikalibrasi terhadap sebuah bola yang kebulatannya diukur dengan memutarnya pada sebuah bantalan sementara interferometer lain mengawasinya. Seluruh rantai metrologi ini adalah kisahnya sendiri yang telah berlangsung selama puluhan tahun.

Proses pemolesan pada sebuah cermin High-NA tunggal berlangsung, menurut catatan Zeiss sendiri, selama sebagian besar waktu dalam setahun. Cermin tersebut berulang kali dilapisi ulang, diukur ulang, dan dikembalikan ke berkas ion. Benda itu kemudian dirakit ke dalam sebuah dudukan yang stabilitas termal dan isolasi getarannya sendiri merupakan subjek tesis-tesis doktoral, lalu dikirim dari Oberkochen ke Veldhoven, tempat ASML mengintegrasikannya ke dalam sistem seukuran bus kota.

Bagaimana kita sampai di sini

Semua ini tidaklah jelas sejak awal. Pada tahun 1980-an, ketika Lawrence Livermore National Laboratory dan segelintir laboratorium AS lainnya mulai berargumen bahwa EUV mungkin menjadi masa depan pembuatan cip, konsensus saat itu adalah bahwa toleransi optiknya mustahil dicapai. Konsorsium riset Amerika SEMATECH mendanai EUV LLC pada tahun 1997 — yang beranggotakan Intel, Motorola, AMD, dan laboratorium nasional, dengan anggaran sekitar 250 juta dolar — untuk mencari tahu jawabannya. Sebagian besar terobosan awal pada lapisan jamak berasal dari Livermore dan Berkeley. ASML, yang saat itu merupakan perusahaan kecil Belanda sempalan dari Philips, memenangkan kontrak untuk membangun prototipe pemindainya. Alat produksi EUV pertama, NXE:3300, dikirim pada tahun 2013, enam belas tahun setelah konsorsium dimulai. Cip pertama yang dicetak sepenuhnya dengan EUV, dalam node N5 milik TSMC, muncul pada tahun 2020.

Generasi saat ini, yang disebut High-NA EUV, menggunakan cermin anamorfik yang tidak bulat melainkan lonjong, memperbesar citra empat kali ke satu arah dan delapan kali ke arah lainnya. Unit pertama dikirim ke Intel di Hillsboro pada akhir tahun 2023 dan diterima pada tahun 2024. Harganya sekitar 380 juta dolar.

Apa yang masih belum kita ketahui

Kita tidak tahu apakah batasan ini bisa didorong lebih jauh lagi. Di bawah panjang gelombang sekitar 8 nm, fisika lapisan jamak yang membuat tumpukan molibdenum-silikon bekerja mulai gagal; material kandidat untuk cermin apa pun pasca-EUV masih berada di laboratorium. Apakah lompatan industri berikutnya akan datang dari cahaya yang lebih pendek atau dari penumpukan transistor secara vertikal merupakan perdebatan yang masih aktif.

Kita juga tidak tahu berapa lama monopoli ini akan bertahan. Zeiss SMT mempekerjakan mungkin dua ribu orang di lini produk ini; pengetahuannya sebagian besar bersifat tasit, melekat pada para pemoles dan ahli metrologi yang benar-benar melakukan pekerjaannya. Pemerintah Tiongkok dilaporkan telah menggelontorkan puluhan miliar untuk membangun padanan domestik. Tidak ada seorang pun di luar Oberkochen yang tahu pasti seberapa dekat mereka dengan tujuan tersebut.

Dan kita tidak benar-benar tahu seperti apa modus kegagalan jangka panjangnya. ASML hanya mengirimkan beberapa lusin mesin EUV dalam setahun. Jumlah tahun pengoperasian terus-menerus pada unit-unit awal masih sedikit. Cermin yang rata dalam skala pikometer, yang dihantam cahaya plasma di dalam ruang hampa selama satu dekade, pada akhirnya akan mengalami sesuatu. Apa pastinya "sesuatu" itu adalah hal yang sedang dipelajari oleh pabrik-pabrik cip terbesar di dunia secara *real-time*.

Cip di saku Anda ada karena, di suatu tempat di Baden-Württemberg, seseorang sedang menembakkan atom argon ke sepotong kaca dan menghitungnya.

Un espejo en Baden-Wurtemberg, pulido durante buena parte de un año por un haz enfocado de iones de argón, es plano con una precisión de cincuenta picómetros —la mitad de la anchura de un átomo. Seis de ellos, apilados dentro de una máquina neerlandesa del tamaño de un autobús, son la razón de que su teléfono exista.

En una sala blanca de Oberkochen, una pequeña localidad suaba situada entre Stuttgart y Múnich, una preforma de vitrocerámica del tamaño de un plato llano descansa sobre una plataforma mientras es bombardeada con iones de argón. Cada ion desprende, aproximadamente, un átomo de material de la superficie. El espejo ha permanecido en esta plataforma, o en una similar, durante meses. Cuando finalmente esté terminado, verificado, recubierto y vuelto a verificar, tendrá una planicidad de cincuenta picómetros, lo que representa menos del diámetro de un átomo de hidrógeno. Su coste superará los cien millones de euros. Y será uno de los seis espejos similares alojados en el interior de una sola máquina que es, a su vez, el único tipo de artefacto sobre la faz de la Tierra capaz de imprimir los patrones del chip de su teléfono.

La máquina es obra de ASML, una empresa holandesa con sede en Veldhoven. Los espejos son fabricados por Carl Zeiss SMT, la división de semiconductores de la casa de óptica alemana radicada en Oberkochen. Entre ambas poseen el monopolio de una parcela de la física que constituye, bajo cualquier medida razonable, la proeza de ingeniería más difícil jamás realizada por el ser humano.

ASML Holding N.V. logo Pixelpatser · BY-SA 4.0

¿Por qué espejos?

La razón reside en la longitud de onda de la luz con la que se dibuja. Para comprimir más transistores en un chip se necesitan líneas más finas, y las líneas más finas exigen longitudes de onda más cortas. Durante treinta años, la industria descendió paulatinamente a través del espectro ultravioleta —365 nm, 248 nm, 193 nm— empleando lentes refractivas convencionales de cuarzo fundido. Por debajo de los 193 nm, el cuarzo comienza a absorber la luz. Por debajo de los 100 nm, aproximadamente, todos los materiales la absorben. No existen lentes que se puedan utilizar, porque no hay ninguna sustancia transparente.

La luz del Extreme ultraviolet es aún más corta: 13,5 nm, situada en el rango de los rayos X blandos. Es absorbida por el aire, por el vidrio y por la mayoría de los metales. No se puede enfocar con una lente. Ni siquiera se puede permitir que viaje a través de una habitación. Toda la columna óptica de una máquina de EUV se encuentra dentro del vacío, y cada superficie que la luz toca debe ser un espejo; y no un espejo cualquiera, pues una sola capa de cualquier elemento no refleja prácticamente nada de EUV.

Lo que Zeiss fabrica, en su lugar, es un apilamiento. El sustrato del espejo es una vitrocerámica llamada Zerodur, elegida porque apenas se expande al calentarse. Sobre ella, en una cámara de vacío, la compañía deposita cerca de un centenar de capas alternas de molibdeno y silicio, cada una con un espesor de tres o cuatro átomos. El espaciado se ajusta para que las tenues reflexiones de cada interfaz se sumen en fase, como en un cristal de Bragg. Aun así, solo alrededor del 70 por ciento de la luz rebota. Tras seis rebotes, la mitad de la luz se ha perdido.

El pulido

Las tolerancias geométricas de estos espejos son lo que deja atónito a cualquiera. Una especificación típica de Zeiss cita un error de forma de la superficie de unos cincuenta picómetros de media cuadrática sobre una apertura de unos treinta centímetros. Si se ampliara la escala para que el espejo cubriera Alemania, la protuberancia más grande mediría aproximadamente un milímetro.

Es imposible alcanzar esa precisión mediante el esmerilado. Se comienza con él —herramientas de diamante de grano grueso, luego pastas abrasivas progresivamente más finas, el mismo oficio que ha fabricado espejos de telescopio durante doscientos años— y se termina, más o menos, en los límites de lo que el contacto mecánico permite. Entonces se pasa al ion beam figuring. Un haz enfocado de iones de argón, dirigido por ordenador sobre un mapa de los puntos altos residuales, pulveriza el material átomo por átomo. El mapa en sí proviene de la interferometría contra un plano de referencia que ha sido calibrado contra otro plano de referencia que ha sido calibrado, en última instancia, contra una esfera cuya redondez se mide haciéndola rotar sobre un rodamiento mientras otro interferómetro la observa. Toda la cadena de metrología es, por sí sola, una historia que ha abarcado décadas.

El proceso de pulido de un solo espejo de alta apertura numérica (High-NA) dura, según los propios informes de Zeiss, la mayor parte de un año. El espejo es recubierto, medido y devuelto al haz de iones repetidamente. Después se ensambla en una montura cuya estabilidad térmica y aislamiento de vibraciones son, por sí mismos, objeto de tesis doctorales, y se envía desde Oberkochen a Veldhoven, donde ASML lo integra en un sistema del tamaño de un autobús urbano.

Cómo hemos llegado hasta aquí

Nada de esto era evidente. En la década de 1980, cuando el Lawrence Livermore National Laboratory y un puñado de otros laboratorios estadounidenses empezaron a sostener que el EUV podría ser el futuro de la fabricación de chips, el consenso dictaba que las tolerancias ópticas eran imposibles. El consorcio de investigación estadounidense SEMATECH financió el EUV LLC en 1997 —formado por Intel, Motorola, AMD y los laboratorios nacionales, con un presupuesto de unos 250 millones de dólares— para averiguarlo. La mayoría de los primeros hitos en los recubrimientos multicapa surgieron de Livermore y Berkeley. ASML, por entonces una pequeña escisión holandesa de Philips, obtuvo el contrato para construir el escáner prototipo. La primera herramienta de producción de EUV, la NXE:3300, se entregó en 2013, dieciséis años después de la creación del consorcio. Los primeros chips impresos íntegramente con EUV, en el nodo N5 de TSMC, aparecieron en 2020.

La generación actual, denominada High-NA EUV, utiliza espejos anamórficos que no son redondos sino ovalados, y que magnifican la imagen cuatro veces en una dirección y ocho en la otra. El primero fue entregado a Intel en Hillsboro a finales de 2023 y aceptado en 2024. Su coste fue de unos 380 millones de dólares.

Lo que aún no sabemos

No sabemos si el límite se podrá desplazar mucho más allá. Por debajo de las longitudes de onda de unos 8 nm, la física de los recubrimientos multicapa que hace que el apilamiento de molibdeno y silicio funcione empieza a fallar; los materiales candidatos para cualquier espejo post-EUV aún se encuentran en fase de laboratorio. Si el próximo salto de la industria vendrá de una luz más corta o del apilamiento vertical de transistores es objeto de un debate abierto.

Tampoco sabemos cuánto tiempo durará el monopolio. Zeiss SMT emplea a unas dos mil personas en esta línea de producto; el conocimiento es en gran medida tácito, encarnado en los pulidores y metrólogos que realizan el trabajo de campo. Según se informa, el gobierno chino ha comprometido decenas de miles de millones para construir un equivalente nacional. Nadie fuera de Oberkochen tiene una idea clara de cuán cerca están de lograrlo.

Y, en realidad, desconocemos cómo son los modos de fallo a largo plazo. ASML entrega solo unas pocas docenas de máquinas EUV al año. El número de años de funcionamiento continuo de las primeras unidades sigue siendo escaso. Los espejos con una planicidad de picómetros, golpeados por luz de plasma en una cámara de vacío durante una década, acaban experimentando alguna alteración. Qué ocurre exactamente es algo que las fábricas más grandes del mundo están descubriendo en tiempo real.

El chip que lleva en su bolsillo existe porque, en algún lugar de Baden-Württemberg, alguien está disparando átomos de argón contra un trozo de vidrio y contándolos.

बाडेन-वुर्टेमबर्ग का एक आईना, जिसे आर्गन आयनों की केंद्रित किरणपुंज ने साल के अधिकांश हिस्से तक तराशा है, पचास पिकोमीटर की सटीकता तक समतल है—यानी एक परमाणु की चौड़ाई का भी आधा। सिटी बस जितनी विशाल एक डच मशीन के भीतर लगे ऐसे ही छह आईने वह वजह हैं, जिसकी बदौलत आपके फोन का अस्तित्व है।

Oberkochen के एक स्वच्छ कक्ष में, जो स्टटगार्ट और म्यूनिख के बीच स्थित स्वाबियन क्षेत्र का एक छोटा सा शहर है, रात के खाने की प्लेट के आकार का एक ग्लास-सिरेमिक ब्लैंक एक मंच पर रखा है, जिस पर आर्गन आयनों की बौछार की जा रही है। प्रत्येक आयन सतह से लगभग एक परमाणु को बाहर धकेल देता है। यह दर्पण महीनों से इसी मंच पर या इसके जैसे ही किसी दूसरे मंच पर रखा है। जब यह अंततः बनकर तैयार होगा, जांचा जाएगा, फिर से लेपित होगा और पुनः जांचा जाएगा, तब यह पचास पिकोमीटर की सीमा के भीतर बिल्कुल सपाट होगा, जो हाइड्रोजन परमाणु के व्यास से भी कम है। इसकी लागत दस करोड़ यूरो से अधिक होगी। और यह एक ही मशीन के भीतर मौजूद छह या उससे अधिक समान दर्पणों में से एक होगा, जो बदले में, पृथ्वी पर एकमात्र ऐसी मशीन है जो आपके फोन में मौजूद चिप के पैटर्न छापने में सक्षम है।

यह मशीन ASML द्वारा बनाई गई है, जो Veldhoven में मुख्यालय वाली एक डच कंपनी है। दर्पणों का निर्माण ओबेरकोचेन में स्थित जर्मन ऑप्टिक्स हाउस के सेमीकंडक्टर विभाग Carl Zeiss SMT द्वारा किया जाता है। इन दोनों के पास भौतिकी के एक ऐसे क्षेत्र पर एकाधिकार है, जो किसी भी तर्कसंगत पैमाने पर, मनुष्य द्वारा अब तक की गई सबसे कठिन इंजीनियरिंग है।

ASML Holding N.V. logo Pixelpatser · BY-SA 4.0

दर्पण ही क्यों

इसका कारण उस प्रकाश की तरंग दैर्ध्य से जुड़ा है जिससे आप चित्रण करते हैं। चिप पर अधिक ट्रांजिस्टर पैक करने के लिए, आपको महीन रेखाओं की आवश्यकता होती है, और महीन रेखाओं के लिए छोटी तरंग दैर्ध्य की। तीस वर्षों तक, उद्योग ने पराबैंगनी प्रकाश के विभिन्न स्तरों — 365 एनएम, 248 एनएम, 193 एनएम — का सहारा लिया और फ्यूज्ड क्वार्ट्ज से बने साधारण रिफ्रैक्टिव लेंस का उपयोग किया। 193 एनएम से नीचे, क्वार्ट्ज प्रकाश को अवशोषित करना शुरू कर देता है। लगभग 100 एनएम से नीचे, हर पदार्थ प्रकाश को सोख लेता है। वहां आप किसी भी लेंस का उपयोग नहीं कर सकते, क्योंकि कोई भी पारदर्शी पदार्थ शेष नहीं बचता।

Extreme ultraviolet प्रकाश और भी छोटा है: 13.5 एनएम, जो सॉफ्ट-एक्स-रे रेंज में आता है। यह हवा, कांच और अधिकांश धातुओं द्वारा अवशोषित कर लिया जाता है। आप इसे लेंस से केंद्रित नहीं कर सकते। आप इसे कमरे में यात्रा तक नहीं करने दे सकते। एक ईयूवी मशीन का पूरा ऑप्टिकल कॉलम एक निर्वात के भीतर स्थित होता है, और जिस भी सतह को प्रकाश छूता है उसे एक दर्पण होना चाहिए — और वह भी कोई साधारण दर्पण नहीं, क्योंकि किसी भी तत्व की एक एकल परत लगभग शून्य ईयूवी परावर्तित करती है।

इसके बजाय ज़ीस जो बनाता है वह एक 'स्टैक' है। दर्पण का आधार ज़ीरोडुर नामक एक ग्लास-सिरेमिक है, जिसे इसलिए चुना गया क्योंकि गर्म होने पर यह न के बराबर फैलता है। एक वैक्यूम चैंबर में, कंपनी उस पर मोलिब्डेनम और सिलिकॉन की लगभग सौ वैकल्पिक परतें जमा करती है, जिनमें से प्रत्येक तीन या चार परमाणु मोटी होती है। इनके बीच की दूरी को इस तरह संयोजित किया जाता है कि प्रत्येक इंटरफेस से होने वाले हल्के परावर्तन एक साथ मिलकर प्रबल हो जाएं, ठीक एक ब्रैग क्रिस्टल की तरह। इसके बावजूद, केवल 70 प्रतिशत प्रकाश ही वापस लौट पाता है। छह परावर्तनों के बाद, आपका आधा प्रकाश खत्म हो चुका होता है।

पॉलिश

इन दर्पणों की ज्यामितीय सहनशीलता ऐसी है जिसे देखकर लोग दंग रह जाते हैं। एक विशिष्ट ज़ीस विनिर्देश लगभग तीस सेंटीमीटर के एपर्चर पर पचास पिकोमीटर रूट-मीन-स्क्वायर के आसपास सतह की त्रुटि का उद्धरण देता है। यदि इसे इस पैमाने पर बढ़ाया जाए कि दर्पण पूरे जर्मनी को ढक ले, तो सबसे बड़ा उभार केवल एक मिलीमीटर का होगा।

आप वहां तक केवल घिसाई करके नहीं पहुँच सकते। आप शुरुआत घिसाई से ही करते हैं — मोटे हीरे के औजारों से, फिर धीरे-धीरे महीन घोल से, वही पेशा जिसने दो सौ वर्षों तक टेलीस्कोप के दर्पण बनाए हैं — और आप कमोबेश उस सीमा पर पहुँचते हैं जहाँ यांत्रिक संपर्क की क्षमता समाप्त हो जाती है। फिर आप ion beam figuring पर स्विच करते हैं। आर्गन आयनों की एक केंद्रित किरण, जिसे कंप्यूटर द्वारा अवशिष्ट ऊंचे स्थानों के मानचित्र के आधार पर नियंत्रित किया जाता है, एक बार में एक परमाणु के हिसाब से सामग्री को हटाती है। यह मानचित्र स्वयं इंटरफेरोमेट्री से आता है, जो एक संदर्भ सतह के सापेक्ष तैयार किया जाता है, जिसे एक अन्य संदर्भ सतह के विरुद्ध कैलिब्रेट किया गया होता है, और अंततः एक ऐसे गोले के विरुद्ध कैलिब्रेट किया जाता है जिसकी गोलाई को एक बेयरिंग पर घुमाकर मापा जाता है जबकि एक अन्य इंटरफेरोमीटर उस पर नज़र रखता है। यह पूरी माप श्रृंखला अपने आप में दशकों लंबी कहानी है।

ज़ीस के अपने विवरणों के अनुसार, एक सिंगल हाई-एनए दर्पण पर पॉलिशिंग का काम साल के बेहतर हिस्से तक चलता है। दर्पण को बार-बार दोबारा लेपित किया जाता है, दोबारा मापा जाता है और वापस आयन बीम पर रखा जाता है। फिर इसे एक ऐसे माउंट में असेंबल किया जाता है जिसकी थर्मल स्थिरता और कंपन पृथक्करण स्वयं डॉक्टरेट थीसिस के विषय हैं, और ओबेरकोचेन से वेल्डहोवन भेज दिया जाता है, जहाँ एएसएमएल इसे एक शहर की बस के आकार के सिस्टम में एकीकृत करता है।

हम यहाँ कैसे पहुँचे

इनमें से कुछ भी स्पष्ट नहीं था। 1980 के दशक में, जब Lawrence Livermore National Laboratory और कुछ अन्य अमेरिकी प्रयोगशालाओं ने तर्क देना शुरू किया कि ईयूवी चिप निर्माण का भविष्य हो सकता है, तब आम सहमति यह थी कि ऑप्टिकल टॉलरेंस असंभव थे। अमेरिकी अनुसंधान संघ SEMATECH ने 1997 में इसकी जांच के लिए EUV LLC को वित्त पोषित किया — जिसमें इंटेल, मोटोरोला, एएमडी और राष्ट्रीय प्रयोगशालाएं शामिल थीं, जिनका बजट लगभग 25 करोड़ डॉलर था। मल्टीलेयर कोटिंग्स पर शुरुआती सफलताओं में से अधिकांश लिवरमोर और बर्कले से आईं। फिलिप्स से अलग हुई एक छोटी डच कंपनी, एएसएमएल ने प्रोटोटाइप स्कैनर बनाने का अनुबंध जीता। पहला उत्पादन ईयूवी उपकरण, NXE:3300, संघ के शुरू होने के सोलह साल बाद, 2013 में भेजा गया था। पूरी तरह से ईयूवी के साथ छपी पहली चिप्स, टीएसएमसी के N5 नोड में, 2020 में सामने आईं।

वर्तमान पीढ़ी, जिसे हाई-एनए ईयूवी कहा जाता है, एनामोर्फिक दर्पणों का उपयोग करती है जो गोल नहीं बल्कि अंडाकार होते हैं, जो छवि को एक दिशा में चार गुना और दूसरी दिशा में आठ गुना बढ़ाते हैं। पहला उपकरण 2023 के अंत में हिल्सबरो में इंटेल को दिया गया और 2024 में स्वीकार किया गया। इसकी लागत लगभग 38 करोड़ डॉलर थी।

हम अब भी क्या नहीं जानते

हम नहीं जानते कि क्या इस तकनीक को और आगे धकेला जा सकता है। लगभग 8 एनएम तरंग दैर्ध्य से नीचे, मल्टीलेयर कोटिंग की वह भौतिकी जो मोलिब्डेनम-सिलिकॉन स्टैक को काम करने योग्य बनाती है, विफल होने लगती है; ईयूवी से परे किसी भी दर्पण के लिए संभावित सामग्रियां अभी भी प्रयोगशाला में ही हैं। क्या उद्योग की अगली छलांग और छोटी तरंग दैर्ध्य वाले प्रकाश से आएगी या ट्रांजिस्टर को लंबवत रूप से एक के ऊपर एक रखने से, यह एक सक्रिय बहस का विषय है।

हम यह भी नहीं जानते कि यह एकाधिकार कब तक कायम रहेगा। ज़ीस एसएमटी इस उत्पाद श्रृंखला पर शायद दो हजार लोगों को नियुक्त करता है; यह ज्ञान काफी हद तक व्यावहारिक अनुभव पर आधारित है, जो उन पॉलिश करने वालों और मेट्रोलॉजिस्टों में रचा-बसा है जो वास्तव में यह कार्य करते हैं। बताया जाता है कि चीनी सरकार ने घरेलू समकक्ष बनाने के लिए अरबों डॉलर खर्च करने की प्रतिबद्धता जताई है। ओबेरकोचेन के बाहर किसी को भी स्पष्ट अंदाजा नहीं है कि वे सफलता के कितने करीब हैं।

और हम वास्तव में यह नहीं जानते कि लंबी अवधि में विफलता के लक्षण कैसे दिखेंगे। एएसएमएल साल में केवल कुछ दर्जन ईयूवी मशीनें ही भेजता है। शुरुआती मशीनों के निरंतर संचालन के वर्षों की संख्या अभी भी कम है। पिकोमीटर की शुद्धता वाले सपाट दर्पण, जब एक दशक तक निर्वात कक्ष में प्लाज्मा प्रकाश की मार झेलेंगे, तो अंततः उनमें कुछ बदलाव तो आएंगे ही। वह बदलाव वास्तव में क्या है, यह दुनिया की सबसे बड़ी चिप निर्माण इकाइयां (फैब्स) वास्तविक समय में पता लगा रही हैं।

आपकी जेब में मौजूद चिप इसलिए अस्तित्व में है क्योंकि बाडेन-वुर्टेमबर्ग में कहीं कोई व्यक्ति कांच के टुकड़े पर आर्गन परमाणुओं की बौछार कर रहा है और उन्हें गिन रहा है।

Un miroir du Bade-Wurtemberg, poli pendant la majeure partie d'une année par un faisceau focalisé d'ions argon, est plat à cinquante picomètres près — soit la moitié de la largeur d'un atome. Six d'entre eux, empilés dans une machine néerlandaise de la taille d'un bus, sont la raison pour laquelle votre téléphone existe.

Dans une salle blanche à Oberkochen, une petite ville souabe située entre Stuttgart et Munich, un disque de vitrocéramique de la taille d'une assiette repose sur un support, bombardé par des ions d'argon. Chaque ion arrache environ un atome de matière à la surface. Le miroir se trouve sur ce support, ou un autre semblable, depuis des mois. Lorsqu'il sera enfin terminé, vérifié, revêtu d'une couche protectrice et vérifié à nouveau, sa planéité sera précise à cinquante picomètres près — soit moins que le diamètre d'un atome d'hydrogène. Il coûtera plus de cent millions d'euros. Et il sera l'un des quelque six miroirs similaires logés au cœur d'une seule machine qui, à son tour, est la seule au monde capable d'imprimer les motifs sur la puce de votre téléphone.

La machine est construite par ASML, une entreprise néerlandaise dont le siège est à Veldhoven. Les miroirs sont fabriqués par Carl Zeiss SMT, la division semi-conducteurs de la maison d'optique allemande d'Oberkochen. À elles deux, elles détiennent le monopole d'un pan de la physique qui constitue, à n'en pas douter, le défi d'ingénierie le plus complexe jamais relevé par l'humanité.

ASML Holding N.V. logo Pixelpatser · BY-SA 4.0

Pourquoi des miroirs ?

La raison tient à la longueur d'onde de la lumière utilisée pour le tracé. Pour intégrer davantage de transistors sur une puce, il faut des lignes plus fines, et ces lignes plus fines exigent des longueurs d'onde plus courtes. Pendant trente ans, l'industrie a progressé à tâtons dans l'ultraviolet — 365 nm, 248 nm, 193 nm — en utilisant des lentilles réfractives ordinaires en quartz fondu. En dessous de 193 nm, le quartz commence à absorber la lumière. Sous la barre des 100 nm environ, tous les matériaux absorbent la lumière. Il n'existe plus de lentille possible, car il n'existe plus de substance transparente.

La lumière Extreme ultraviolet est encore plus courte : 13,5 nm, dans la gamme des rayons X mous. Elle est absorbée par l'air, par le verre, par la plupart des métaux. On ne peut pas la focaliser avec une lentille. On ne peut même pas la laisser traverser la pièce. Toute la colonne optique d'une machine EUV se trouve sous vide, et chaque surface que la lumière effleure doit être un miroir — et pas un miroir ordinaire, car une couche unique de n'importe quel élément ne réfléchit pratiquement aucun rayonnement EUV.

Ce que Zeiss fabrique à la place est un empilement. Le substrat du miroir est une vitrocéramique appelée Zerodur, choisie parce qu'elle ne se dilate pratiquement pas sous l'effet de la chaleur. Sur ce support, dans une chambre à vide, l'entreprise dépose environ une centaine de couches alternées de molybdène et de silicium, chacune épaisse de trois ou quatre atomes. L'espacement est réglé de telle sorte que les faibles réflexions de chaque interface s'additionnent en phase, à la manière d'un cristal de Bragg. Même ainsi, environ 70 % seulement de la lumière est réfléchie. Six rebonds plus tard, la moitié de votre lumière s'est évanouie.

Le polissage

Les tolérances géométriques de ces miroirs laissent pantois. Une spécification typique de Zeiss indique une erreur de forme de surface d'environ cinquante picomètres en valeur efficace sur une ouverture d'une trentaine de centimètres. À l'échelle de l'Allemagne, la plus grosse bosse sur le miroir ne mesurerait qu'environ un millimètre.

On ne parvient pas à un tel résultat par le meulage. On commence certes par là — des outils diamantés grossiers, puis des pâtes de plus en plus fines, selon le même métier qui façonne les miroirs de télescope depuis deux siècles — et l'on finit, peu ou prou, aux limites de ce que le contact mécanique peut accomplir. On passe alors à l'ion beam figuring. Un faisceau focalisé d'ions d'argon, guidé par ordinateur sur une carte des points hauts résiduels, pulvérise la matière atome par atome. La carte elle-même provient d'une interférométrie réalisée par rapport à un plan de référence calibré sur un autre plan de référence, lui-même calibré, en dernier ressort, sur une sphère dont la rondeur est mesurée par rotation sur un palier sous l'œil d'un autre interféromètre. Toute la chaîne de métrologie est une épopée qui s'étend sur plusieurs décennies.

Le cycle de polissage d'un seul miroir à haute ouverture numérique (High-NA) dure, de l'aveu même de Zeiss, la majeure partie d'une année. Le miroir est maintes fois revêtu, remesuré et soumis à nouveau au faisceau d'ions. Il est ensuite assemblé dans une monture dont la stabilité thermique et l'isolation vibratoire font elles-mêmes l'objet de thèses de doctorat, puis expédié d'Oberkochen à Veldhoven, où ASML l'intègre dans un système de la taille d'un autobus.

Comment nous en sommes arrivés là

Rien de tout cela n'était évident. Dans les années 1980, lorsque le Lawrence Livermore National Laboratory et une poignée d'autres laboratoires américains ont commencé à soutenir que l'EUV pourrait être l'avenir de la fabrication de puces, le consensus voulait que les tolérances optiques soient impossibles à atteindre. Le consortium de recherche américain SEMATECH a financé l'EUV LLC en 1997 — réunissant Intel, Motorola, AMD et les laboratoires nationaux avec un budget d'environ 250 millions de dollars — pour en avoir le cœur net. La plupart des premières percées sur les revêtements multicouches sont venues de Livermore et de Berkeley. ASML, qui n'était alors qu'une petite scission néerlandaise de Philips, a remporté le contrat pour la construction du prototype de scanner. Le premier outil de production EUV, le NXE:3300, a été livré en 2013, soit seize ans après le lancement du consortium. Les premières puces entièrement imprimées par EUV, dans le nœud N5 de TSMC, sont apparues en 2020.

La génération actuelle, baptisée High-NA EUV, utilise des miroirs anamorphiques qui ne sont pas ronds mais ovales, grossissant l'image quatre fois dans une direction et huit fois dans l'autre. Le premier exemplaire a été livré à Intel à Hillsboro fin 2023 et accepté en 2024. Il a coûté environ 380 millions de dollars.

Ce que nous ignorons encore

Nous ignorons si les limites peuvent être repoussées encore davantage. En dessous d'une longueur d'onde de 8 nm environ, la physique des revêtements multicouches qui permet à l'empilement molybdène-silicium de fonctionner commence à montrer ses limites ; les matériaux candidats pour un éventuel miroir « post-EUV » en sont encore au stade du laboratoire. La question de savoir si le prochain saut de l'industrie viendra d'une lumière plus courte ou de l'empilement vertical des transistors fait l'objet de débats intenses.

Nous ne savons pas non plus combien de temps ce monopole tiendra. Zeiss SMT emploie peut-être deux mille personnes sur cette ligne de produits ; le savoir-faire est largement tacite, ancré chez les polisseurs et les métrologues qui effectuent le travail. Le gouvernement chinois aurait engagé des dizaines de milliards pour construire un équivalent national. Personne en dehors d'Oberkochen ne sait précisément à quel point ils en sont proches.

Et nous ne savons pas vraiment à quoi ressemblent les modes de défaillance à long terme. ASML ne livre que quelques dizaines de machines EUV par an. Le nombre d'années de fonctionnement continu des premières unités reste faible. Les miroirs d'une planéité picométrique, frappés par une lumière plasma dans une chambre à vide pendant une décennie, finissent par subir une altération. Laquelle exactement ? C'est ce que les plus grandes usines de puces au monde découvrent en temps réel.

La puce qui se trouve dans votre poche existe parce que, quelque part dans le Bade-Wurtemberg, quelqu'un projette des atomes d'argon sur un morceau de verre en les comptant un à un.

Зеркало в Баден-Вюртемберге, которое без малого год полировали сфокусированным пучком ионов аргона, отличается безупречной гладкостью: отклонение от плоскости составляет не более пятидесяти пикометров — это половина ширины атома. Шесть таких зеркал, установленных внутри голландской машины размером с городской автобус, — вот причина, по которой существует ваш телефон.

В чистой комнате в Oberkochen, маленьком швабском городке между Штутгартом и Мюнхеном, на платформе лежит заготовка из стеклокерамики размером с обеденную тарелку, подвергаясь бомбардировке ионами аргона. Каждый ион выбивает с поверхности примерно один атом материала. Зеркало находится на этой платформе — или на ей подобной — уже несколько месяцев. Когда оно будет окончательно готово, проверено, покрыто защитным слоем и снова проверено, отклонение его поверхности от идеальной плоскости не будет превышать пятидесяти пикометров, что меньше диаметра атома водорода. Его стоимость составит более ста миллионов евро. Оно станет одним из примерно шести подобных зеркал внутри одной машины, которая, в свою очередь, является единственным на Земле устройством, способным печатать структуры на чипе вашего телефона.

Эту машину строит ASML, голландская компания со штаб-квартирой в Veldhoven. Зеркала изготавливает Carl Zeiss SMT, полупроводниковое подразделение немецкого оптического дома в Оберкохене. Вместе они владеют монополией на область физики, которая, по любым разумным меркам, представляет собой сложнейшую инженерную задачу, когда-либо решенную человечеством.

ASML Holding N.V. logo Pixelpatser · BY-SA 4.0

Почему именно зеркала

Причина кроется в длине волны света, которым вы «рисуете». Чтобы разместить на чипе больше транзисторов, нужны более тонкие линии, а для них требуются более короткие волны. На протяжении тридцати лет индустрия постепенно продвигалась вглубь ультрафиолетового спектра — 365 нм, 248 нм, 193 нм — используя обычные преломляющие линзы из плавленого кварца. Однако на длине волны ниже 193 нм кварц начинает поглощать свет. А ниже 100 нм свет поглощается практически любым материалом. Использовать линзы становится невозможно, так как не существует прозрачных веществ.

Extreme ultraviolet — свет еще более коротковолновый: 13,5 нм, что соответствует диапазону мягкого рентгеновского излучения. Его поглощает воздух, стекло, большинство металлов. Его нельзя сфокусировать линзой. Ему даже нельзя позволить перемещаться по комнате. Вся оптическая колонна ЭУФ-машины находится в вакууме, и каждая поверхность, которой касается свет, должна быть зеркалом. Причем не обычным, поскольку один слой любого химического элемента почти не отражает ЭУФ-излучение.

Вместо этого Zeiss создает многослойную структуру. Основанием зеркала служит стеклокерамика под названием «Зеродур», выбранная из-за того, что она почти не расширяется при нагреве. На нее в вакуумной камере компания наносит около ста чередующихся слоев молибдена и кремния, каждый толщиной в три-четыре атома. Расстояние между слоями подобрано так, чтобы слабые отражения от каждой границы раздела фаз суммировались, как в брэгговском кристалле. Даже при этом отражается лишь около 70 процентов света. Через шесть отражений половина световой энергии теряется.

Полировка

Геометрические допуски этих зеркал заставляют замереть от изумления. Типичная спецификация Zeiss требует, чтобы среднеквадратичная ошибка формы поверхности составляла около пятидесяти пикометров на апертуре примерно в тридцать сантиметров. Если увеличить зеркало до размеров Германии, то самый большой бугор на нем был бы высотой около миллиметра.

Такого результата невозможно добиться шлифовкой. Все начинается со шлифовки — грубыми алмазными инструментами, затем все более мелкими суспензиями, по той же технологии, по которой зеркала для телескопов изготавливались последние двести лет. Работа завершается примерно там, где исчерпываются возможности механического контакта. Затем наступает очередь ion beam figuring — ионно-лучевой коррекции формы. Сфокусированный пучок ионов аргона, направляемый компьютером по карте остаточных микронеровностей, распыляет материал по одному атому за раз. Сама карта получается методом интерферометрии путем сравнения с эталонной плоскостью, которая была откалибрована по другой эталонной плоскости, а та, в свою очередь, — по сфере, чья округлость измеряется при вращении на подшипнике под наблюдением другого интерферометра. Вся эта метрологическая цепочка — сама по себе отдельная история длиной в десятилетия.

Цикл полировки одного зеркала с высокой числовой апертурой (high-NA), по собственным данным Zeiss, занимает большую часть года. Зеркало неоднократно покрывают слоями, перемеряют и снова возвращают под ионный луч. Затем его устанавливают в оправу, чья термическая стабильность и виброизоляция сами по себе являются темами докторских диссертаций, и отправляют из Оберкохена в Велдховен. Там ASML интегрирует его в систему размером с городской автобус.

Как мы к этому пришли

Ничто из этого не было очевидным. В 1980-х годах, когда Lawrence Livermore National Laboratory и несколько других американских лабораторий начали утверждать, что ЭУФ может стать будущим микроэлектроники, консенсус заключался в том, что подобные оптические допуски недостижимы. Чтобы проверить это, в 1997 году американский исследовательский консорциум SEMATECH профинансировал проект EUV LLC — при участии Intel, Motorola, AMD и национальных лабораторий — с бюджетом около 250 миллионов долларов. Большая часть ранних прорывов в области многослойных покрытий была совершена в Ливерморе и Беркли. ASML, бывшая тогда небольшим подразделением Philips, получила контракт на строительство прототипа сканера. Первая серийная ЭУФ-установка, NXE:3300, была поставлена в 2013 году, спустя шестнадцать лет после создания консорциума. Первые чипы, полностью напечатанные с помощью ЭУФ (техпроцесс N5 компании TSMC), появились в 2020 году.

Нынешнее поколение установок, называемое High-NA EUV, использует анаморфные зеркала — не круглые, а овальные, которые увеличивают изображение в четыре раза в одном направлении и в восемь раз в другом. Первая такая установка была доставлена компании Intel в Хилсборо в конце 2023 года и принята в эксплуатацию в 2024-м. Ее стоимость составила примерно 380 миллионов долларов.

Чего мы до сих пор не знаем

Мы не знаем, удастся ли продвинуть эту технологию намного дальше. На длинах волн ниже 8 нм физика многослойных покрытий, благодаря которой работает связка молибден-кремний, начинает давать сбои; материалы-кандидаты для зеркал «пост-ЭУФ» эпохи все еще находятся на стадии лабораторных исследований. Будет ли следующий скачок индустрии связан с еще более коротким светом или с вертикальной компоновкой транзисторов — предмет активных споров.

Мы также не знаем, как долго продержится монополия. В Zeiss SMT на этой производственной линии занято, пожалуй, две тысячи человек; знания здесь во многом носят неявный характер, они сосредоточены в руках мастеров по полировке и метрологов, которые непосредственно выполняют работу. Сообщается, что китайское правительство выделило десятки миллиардов на создание отечественного аналога. Никто за пределами Оберкохена не имеет четкого представления о том, насколько близко они подошли к цели.

И мы на самом деле не знаем, как выглядят долгосрочные сценарии отказов. ASML поставляет всего несколько десятков ЭУФ-машин в год. Опыт непрерывной эксплуатации первых экземпляров все еще невелик. Зеркала с пикометровой точностью, на протяжении десятилетия подвергающиеся воздействию плазменного излучения в вакуумной камере, в конечном итоге неизбежно изменятся. Что именно с ними произойдет — это то, что крупнейшие мировые фабрики выясняют в режиме реального времени.

Чип в вашем кармане существует потому, что где-то в Баден-Вюртемберге кто-то обстреливает кусок стекла атомами аргона и ведет им строгий счет.

مرآة في بادن فورتمبيرغ، صُقلت طوال جُلِّ عام بفيض مركّز من أيونات الأرغون، تبلغ دقة استوائها خمسين بيكومتراً — أي نصف عرض الذرة. ستُّ مرايا من هذا الطراز، مصفوفة داخل آلة هولندية بضخامة حافلة ركاب، هي السبب في وجود هاتفك.

في غرفة نظيفة في Oberkochen، تلك البلدة السوابية الصغيرة القابعة بين شتوتغارت وميونيخ، تستقر قطعة خام من السيراميك الزجاجي بحجم طبق العشاء فوق منصة تتعرض لقصف من أيونات الأرغون. كل أيون يزيح ذرة واحدة تقريبًا من المادة عن السطح. لقد ظلت هذه المرآة فوق هذه المنصة، أو واحدة تشبهها، لشهور طوال. وحين تكتمل أخيرًا، وتُفحص، وتُغطى بطبقة جديدة، وتُفحص ثانية، ستصبح مستوية بدقة تصل إلى خمسين بيكومترًا، وهو ما يقل عن قطر ذرة الهيدروجين. ستتجاوز تكلفتها مئة مليون يورو. وستكون واحدة من ست مرايا متماثلة أو نحو ذلك داخل آلة واحدة، هي بدورها النوع الوحيد من الآلات على وجه الأرض القادر على طباعة الأنماط على الرقاقة الموجودة في هاتفك.

تُصنّع هذه الآلة شركة ASML، وهي شركة هولندية يقع مقرها الرئيسي في Veldhoven. أما المرايا فتصنعها Carl Zeiss SMT، قسم أشباه الموصلات في دار البصريات الألمانية في أوبيركوخن. وبين الاثنين، يمتلكان احتكارًا لقطعة من الفيزياء تُعد، بأي مقياس معقول، أصعب عمل هندسي أنجزه البشر على الإطلاق.

ASML Holding N.V. logo Pixelpatser · BY-SA 4.0

لماذا المرايا أصلًا؟

يعود السبب إلى الطول الموجي للضوء الذي ترسم به. فمن أجل حشد المزيد من الترانزستورات على رقاقة واحدة، تحتاج إلى خطوط أدق، والخطوط الأدق تتطلب أطوالاً موجية أقصر. على مدى ثلاثين عامًا، تسللت الصناعة نزولاً عبر نطاق الأشعة فوق البنفسجية — 365 نانومتر، ثم 248 نانومتر، ثم 193 نانومتر — باستخدام عدسات انكسارية عادية مصنوعة من الكوارتز المصهور. وبمجرد النزول عن 193 نانومتر، يبدأ الكوارتز في امتصاص الضوء. وعند النزول عن حوالي 100 نانومتر، تمتص كل المواد الضوء. لا توجد عدسات يمكنك استخدامها، لأنه لا توجد مادة شفافة.

أما ضوء Extreme ultraviolet فهو أقصر من ذلك: 13.5 نانومتر، وهو يقع في نطاق الأشعة السينية اللينة. يمتصه الهواء، ويمتصه الزجاج، ومعظم المعادن. لا يمكنك تركيزه بعدسة، ولا يمكنك حتى السماح له بالانتقال عبر الغرفة. لذا، يقبع العمود البصري لآلة "EUV" بالكامل داخل فراغ، ويجب أن يكون كل سطح يلمسه الضوء عبارة عن مرآة — وليست مرآة عادية، لأن طبقة واحدة من أي عنصر لا تعكس تقريبًا أي ضوء من نوع "EUV" على الإطلاق.

ما تصنعه شركة "زايس" بدلاً من ذلك هو حزمة طبقات. مادة المرآة الأساسية هي سيراميك زجاجي يسمى "زيرودور"، اختير لأنه لا يتمدد إلا قليلاً عند تسخينه. فوق هذه المادة، وفي غرفة مفرغة، ترسب الشركة حوالي مئة طبقة متناوبة من الموليبدينوم والسيليكون، لا تتجاوز سماكة كل منها ثلاث أو أربع ذرات. تُضبط المسافات بينها بحيث تتراكم الانعكاسات الضئيلة من كل سطح بيني لتتفق في الطور، تمامًا مثل بلورة "براغ". وحتى مع ذلك، فإن حوالي 70 بالمئة فقط من الضوء يرتد. وبعد ستة ارتدادات، يكون نصف الضوء قد فُقد.

الصقل

إن التفاوتات الهندسية المسموح بها في هذه المرايا هي ما يجعل الناس يحدقون في ذهول. فالمواصفات النموذجية لشركة زايس تنص على خطأ في شكل السطح يبلغ حوالي خمسين بيكومترًا (جذر متوسط المربع) فوق فتحة قطرها حوالي ثلاثين سنتيمترًا. وإذا كبرنا المرآة لتغطي مساحة ألمانيا بأكملها، فإن أكبر نتوء فيها سيكون بارتفاع مليمتر واحد تقريبًا.

لا يمكن الوصول إلى هذه النتيجة عبر التجليخ. أنت تبدأ بالتجليخ — باستخدام أدوات ماسية خشنة، ثم عجائن صقل أنعم فأصقل، وهي الحرفة ذاتها التي صنعت مرايا التلسكوبات لمدى مئتي عام — وتنتهي، تقريبًا، عند حدود ما يمكن للتلامس الميكانيكي تحقيقه. ثم تنتقل إلى ion beam figuring. حيث يقوم شعاع مركز من أيونات الأرغون، يوجهه حاسوب بناءً على خريطة للنقاط العالية المتبقية، بإزاحة المادة ذرة تلو الأخرى. وتأتي الخريطة نفسها من قياس التداخل مقابل مرآة مرجعية مستوية تمت معايرتها مقابل مرآة أخرى، والتي تمت معايرتها في النهاية مقابل كرة تُقاس كرويتها عن طريق تدويرها على محمل بينما يراقبها جهاز آخر لقياس التداخل. إن سلسلة المقاييس هذه بأكملها هي قصة قائمة بذاتها تمتد لعقود.

تستغرق عملية الصقل لمرآة واحدة ذات فتحة عددية عالية (High-NA) الجزء الأكبر من عام كامل، وفقًا لتقارير شركة زايس نفسها. تُطلى المرآة مرارًا وتكرارًا، وتُقاس من جديد، وتُعاد إلى شعاع الأيونات. ثم تُجمع في حامل تُعد استقراريته الحرارية وعزله للاهتزازات موضوعات لرسائل دكتوراه، وتُشحن من أوبيركوخن إلى فيلدهوفن، حيث تدمجها شركة "ASML" في نظام يماثل حجم حافلة المدينة.

كيف وصلنا إلى هنا

لم يكن أي من هذا واضحًا في البداية. في الثمانينيات، عندما بدأ Lawrence Livermore National Laboratory وحفنة من المختبرات الأمريكية الأخرى يجادلون بأن "EUV" قد تكون مستقبل صناعة الرقاقات، كان الإجماع يرى أن التفاوتات البصرية المطلوبة مستحيلة. مَوَّل كونسورتيوم الأبحاث الأمريكي SEMATECH مشروع EUV LLC في عام 1997 — بمشاركة إنتل وموتورولا وإيه إم دي والمختبرات الوطنية، بميزانية بلغت حوالي 250 مليون دولار — لمعرفة الحقيقة. خرجت معظم الاختراقات المبكرة في الطلاءات متعددة الطبقات من ليفرمور وبيركلي. وفازت شركة "ASML"، التي كانت آنذاك شركة هولندية صغيرة انفصلت عن شركة فيليبس، بعقد بناء النموذج الأولي لآلة المسح. أما أول أداة إنتاجية تعمل بتقنية "EUV"، وهي "NXE:3300"، فتم شحنها في عام 2013، بعد ستة عشر عامًا من بدء الكونسورتيوم. وظهرت أولى الرقاقات المطبوعة بالكامل بتقنية "EUV"، في عقدة "N5" لشركة "TSMC"، في عام 2020.

يستخدم الجيل الحالي، المسمى "High-NA EUV"، مرايا تحويلية ليست مستديرة بل بيضاوية، تضاعف الصورة أربع مرات في اتجاه وثماني مرات في الاتجاه الآخر. سُلّمت أول آلة من هذا النوع لشركة إنتل في هيلزبورو في نهاية عام 2023 وتم قبولها في عام 2024. وقد بلغت تكلفتها حوالي 380 مليون دولار.

ما لا نزال نجهله

لا نعرف ما إذا كان من الممكن دفع هذا المسار إلى أبعد من ذلك. فعند الأطوال الموجية التي تقل عن 8 نانومتر تقريبًا، تبدأ فيزياء الطلاء متعدد الطبقات التي تجعل حزمة الموليبدينوم والسيليكون تعمل في الفشل؛ ولا تزال المواد المرشحة لأي مرآة تتجاوز تقنية "EUV" حبيسة المختبرات. ولا يزال الجدل قائمًا حول ما إذا كانت القفزة التالية للصناعة ستأتي من ضوء أقصر أم من تكديس الترانزستورات رأسيًا.

كما أننا لا نعرف إلى متى سيصمد هذا الاحتكار. يعمل في "Zeiss SMT" ربما ألفا شخص في خط الإنتاج هذا؛ والمعرفة هناك هي في معظمها معرفة ضمنية، مترسخة في عقول وخبرات عمال الصقل وخبراء المقاييس الذين ينجزون العمل فعليًا. وتفيد التقارير بأن الحكومة الصينية خصصت عشرات المليارات لبناء معادل محلي. ولا يملك أحد خارج أوبيركوخن أي تصور واضح عن مدى اقترابهم من ذلك.

ولا نعرف حقًا كيف ستبدو أنماط الفشل على المدى الطويل. تشحن شركة "ASML" بضع عشرات فقط من آلات "EUV" سنويًا. وعدد سنوات التشغيل المستمر للآلات الأولى لا يزال قليلاً. فالمرايا المستوية بدقة البيكومتر، التي يضربها ضوء البلازما في غرفة مفرغة لمدة عقد من الزمن، ستتأثر بشيء ما في النهاية. وما هو هذا "الشيء" تحديدًا هو ما تكتشفه أكبر مصانع الرقاقات في العالم في الوقت الفعلي.

إن الرقاقة الموجودة في جيبك موجودة لأن شخصًا ما، في مكان ما في ولاية بادن فورتمبيرغ، يطلق ذرات الأرغون على قطعة زجاج ويقوم بعدها.

Ein Spiegel in Baden-Württemberg, den Großteil eines Jahres von einem fokussierten Argon-Ionen-Strahl poliert, ist bis auf fünfzig Pikometer eben – die halbe Breite eines Atoms. Sechs davon, gestapelt im Inneren einer niederländischen Maschine von der Größe eines Stadtbusses, sind der Grund, warum Ihr Telefon existiert.

In einem Reinraum in Oberkochen, einer schwäbischen Kleinstadt zwischen Stuttgart und München, liegt ein Glaskeramik-Rohling von der Größe eines Speisetellers auf einem Träger und wird mit Argon-Ionen beschossen. Jedes Ion schlägt etwa ein Atom des Materials aus der Oberfläche heraus. Der Spiegel befindet sich seit Monaten auf diesem oder einem ähnlichen Träger. Wenn er schließlich fertiggestellt, geprüft, neu beschichtet und erneut geprüft ist, wird seine Ebenheit bis auf fünfzig Pikometer genau sein – das ist weniger als der Durchmesser eines Wasserstoffatoms. Er wird mehr als einhundert Millionen Euro kosten. Und er wird einer von etwa sechs ähnlichen Spiegeln im Inneren einer einzigen Maschine sein, die wiederum die einzige Art von Maschine auf der Erde ist, die in der Lage ist, die Strukturen auf den Chip in Ihrem Telefon zu drucken.

Die Maschine wird von ASML gebaut, einem niederländischen Unternehmen mit Hauptsitz in Veldhoven. Die Spiegel werden von Carl Zeiss SMT gefertigt, der Halbleitersparte des deutschen Optikhauses in Oberkochen. Gemeinsam besitzen sie ein Monopol auf ein Stück Physik, das nach jedem vernünftigen Maßstab die schwierigste Ingenieursleistung darstellt, die jemals vollbracht wurde.

ASML Holding N.V. logo Pixelpatser · BY-SA 4.0

Warum überhaupt Spiegel

Der Grund liegt in der Wellenlänge des Lichts, mit dem man zeichnet. Um mehr Transistoren auf einen Chip zu packen, benötigt man feinere Linien, und feinere Linien erfordern kürzere Wellenlängen. Dreißig Jahre lang arbeitete sich die Industrie durch das Ultraviolett-Spektrum hinunter – 365 nm, 248 nm, 193 nm –, wobei gewöhnliche refraktive Linsen aus Quarzglas zum Einsatz kamen. Unterhalb von 193 nm beginnt Quarz, das Licht zu absorbieren. Unterhalb von etwa 100 nm absorbiert jedes Material das Licht. Es gibt keine Linsen, die man verwenden könnte, da es keine transparente Substanz mehr gibt.

Extreme ultraviolet Licht ist noch kurzwelliger: 13,5 nm, im Bereich der weichen Röntgenstrahlung. Es wird von Luft, von Glas und von den meisten Metallen absorbiert. Man kann es nicht mit einer Linse fokussieren. Man kann es nicht einmal durch den Raum wandern lassen. Die gesamte Optiksäule einer EUV-Maschine befindet sich in einem Vakuum, und jede Oberfläche, die das Licht berührt, muss ein Spiegel sein – und zwar kein gewöhnlicher Spiegel, denn eine einzelne Schicht eines beliebigen Elements reflektiert fast gar kein EUV.

Was Zeiss stattdessen herstellt, ist ein Schichtsystem. Das Spiegelsubstrat ist eine Glaskeramik namens Zerodur, die gewählt wurde, weil sie sich bei Erwärmung kaum ausdehnt. Darauf bringt das Unternehmen in einer Vakuumkammer etwa einhundert abwechselnde Schichten aus Molybdän und Silizium auf, jede von ihnen drei oder vier Atome dick. Die Abstände sind so abgestimmt, dass sich die schwachen Reflexionen an jeder Grenzfläche phasengleich addieren, ähnlich wie bei einem Bragg-Kristall. Selbst dann werden nur etwa 70 Prozent des Lichts zurückgeworfen. Nach sechs Reflexionen ist die Hälfte des Lichts verloren.

Die Politur

Die geometrischen Toleranzen dieser Spiegel sorgen für ungläubiges Staunen. Eine typische Spezifikation von Zeiss gibt einen Oberflächenformfehler von etwa fünfzig Pikometern (Effektivwert) über eine Apertur von rund dreißig Zentimetern an. Würde man den Spiegel auf die Größe Deutschlands skalieren, wäre die größte Unebenheit etwa einen Millimeter hoch.

Dieses Ziel lässt sich nicht durch Schleifen erreichen. Man beginnt mit dem Schleifen – grobe Diamantwerkzeuge, dann immer feinere Poliersuspensionen, dasselbe Handwerk, das seit zweihundert Jahren Teleskopspiegel fertigt – und man endet mehr oder weniger an den Grenzen dessen, was durch mechanischen Kontakt möglich ist. Dann wechselt man zum ion beam figuring. Ein fokussierter Strahl aus Argon-Ionen, der von einem Computer über eine Karte der verbliebenen Erhebungen gesteuert wird, trägt das Material Atom für Atom ab. Die Karte selbst stammt aus der Interferometrie gegen ein Referenz-Planflächenelement, das gegen ein weiteres Referenz-Planflächenelement kalibriert wurde, welches wiederum letztlich gegen eine Kugel kalibriert wurde, deren Rundheit gemessen wird, indem man sie in einem Lager dreht, während ein weiteres Interferometer sie beobachtet. Die gesamte Metrologiekette ist eine eigene, jahrzehntelange Geschichte.

Der Polierzyklus für einen einzelnen High-NA-Spiegel dauert nach Angaben von Zeiss fast ein ganzes Jahr. Der Spiegel wird wiederholt neu beschichtet, neu vermessen und erneut dem Ionenstrahl ausgesetzt. Anschließend wird er in eine Fassung montiert, deren thermische Stabilität und Schwingungsisolierung selbst Gegenstand von Dissertationen sind, und von Oberkochen nach Veldhoven geliefert, wo ASML ihn in ein System von der Größe eines Linienbusses integriert.

Wie wir hierher kamen

Nichts davon war selbstverständlich. Als das Lawrence Livermore National Laboratory und eine Handvoll anderer US-Labore in den 1980er Jahren zu argumentieren begannen, dass EUV die Zukunft der Chipherstellung sein könnte, herrschte Konsens darüber, dass die optischen Toleranzen unerreichbar seien. Das amerikanische Forschungskonsortium SEMATECH finanzierte 1997 die EUV LLC – Intel, Motorola, AMD und die nationalen Labore mit einem Budget von rund 250 Millionen Dollar –, um dies herauszufinden. Die meisten der frühen Durchbrüche bei den Mehrlagenbeschichtungen stammten aus Livermore und Berkeley. ASML, damals eine kleine niederländische Ausgründung von Philips, erhielt den Zuschlag für den Bau des Prototyp-Scanners. Das erste EUV-Serienwerkzeug, die NXE:3300, wurde 2013 ausgeliefert, sechzehn Jahre nach dem Start des Konsortiums. Die ersten Chips, die vollständig mit EUV gedruckt wurden, im N5-Knoten von TSMC, erschienen im Jahr 2020.

Die aktuelle Generation, genannt High-NA-EUV, verwendet anamorphotische Spiegel, die nicht rund, sondern oval sind und das Bild in der einen Richtung vierfach und in der anderen achtfach vergrößern. Das erste Exemplar wurde Ende 2023 an Intel in Hillsboro geliefert und 2024 abgenommen. Es kostete etwa 380 Millionen Dollar.

Was wir noch nicht wissen

Wir wissen nicht, ob sich die Grenzen noch viel weiter hinausschieben lassen. Unterhalb von etwa 8 nm Wellenlänge beginnt die Physik der Mehrlagenbeschichtung, die das Molybdän-Silizium-Schichtsystem ermöglicht, zu versagen; die potenziellen Materialien für Spiegel jenseits von EUV befinden sich noch im Laborstadium. Ob der nächste Sprung der Industrie durch kürzerwelligeres Licht oder durch das vertikale Stapeln von Transistoren erfolgt, ist Gegenstand aktueller Debatten.

Wir wissen auch nicht, wie lange das Monopol Bestand haben wird. Zeiss SMT beschäftigt vielleicht zweitausend Mitarbeiter in dieser Produktlinie; das Wissen ist größtenteils implizit vorhanden, verankert in den Polierern und Metrologen, die die eigentliche Arbeit verrichten. Die chinesische Regierung hat Berichten zufolge zig Milliarden in den Aufbau eines einheimischen Äquivalents investiert. Niemand außerhalb von Oberkochen hat eine klare Vorstellung davon, wie nahe sie dem Ziel sind.

Und wir wissen nicht wirklich, wie die langfristigen Ausfallmechanismen aussehen. ASML liefert nur wenige Dutzend EUV-Maschinen pro Jahr aus. Die Anzahl der Jahre im Dauerbetrieb ist bei den frühen Geräten noch gering. Pikometer-flache Spiegel, die ein Jahrzehnt lang in einer Vakuumkammer von Plasmalicht getroffen werden, zeigen irgendwann eine Reaktion. Was genau das ist, finden die weltweit größten Fabs gerade in Echtzeit heraus.

Der Chip in Ihrer Tasche existiert, weil irgendwo in Baden-Württemberg jemand Argon-Atome auf ein Stück Glas schießt und sie dabei zählt.

Um espelho em Baden-Württemberg, polido durante a maior parte de um ano por um feixe focado de íons de argônio, é plano até cinquenta picômetros — metade da largura de um átomo. Seis deles, empilhados no interior de uma máquina holandesa do tamanho de um ônibus, são a razão de o seu celular existir.

Numa sala limpa em Oberkochen, uma pequena cidade suábia entre Estugarda e Munique, um bloco de vitrocerâmica do tamanho de um prato de jantar repousa sobre um suporte, sendo bombardeado com iões de árgon. Cada ião desprende aproximadamente um átomo de material da superfície. O espelho tem estado neste suporte, ou num semelhante, há meses. Quando estiver finalmente concluído, verificado, revestido e verificado novamente, apresentará uma planicidade com uma precisão de cinquenta picómetros, o que é menos do que o diâmetro de um átomo de hidrogénio. Custará mais de cem milhões de euros. E será um de cerca de seis espelhos semelhantes dentro de uma única máquina que é, por sua vez, o único tipo de máquina na Terra capaz de imprimir os padrões no chip do seu telefone.

A máquina é fabricada pela ASML, uma empresa neerlandesa com sede em Veldhoven. Os espelhos são fabricados pela Carl Zeiss SMT, a divisão de semicondutores da casa de ótica alemã em Oberkochen. Entre elas, detêm o monopólio de um ramo da física que representa, sob qualquer métrica razoável, o feito de engenharia mais difícil que a humanidade já realizou.

ASML Holding N.V. logo Pixelpatser · BY-SA 4.0

Porquê usar espelhos

A razão prende-se com o comprimento de onda da luz com que se desenha. Para comprimir mais transístores num chip, são necessárias linhas mais finas, e linhas mais finas exigem comprimentos de onda mais curtos. Durante trinta anos, a indústria avançou lentamente pelo ultravioleta — 365 nm, 248 nm, 193 nm — utilizando lentes refrativas comuns feitas de quartzo fundido. Abaixo dos 193 nm, o quartzo começa a absorver a luz. Abaixo de cerca de 100 nm, todos os materiais absorvem a luz. Não há lentes que possam ser usadas, porque não existe qualquer substância transparente.

A luz Extreme ultraviolet (ultravioleta extremo) é ainda mais curta: 13,5 nm, na gama dos raios X moles. É absorvida pelo ar, pelo vidro e pela maioria dos metais. Não pode ser focada com uma lente. Nem sequer se pode permitir que viaje pelo ar da sala. Toda a coluna ótica de uma máquina EUV situa-se dentro de um vácuo, e cada superfície em que a luz toca tem de ser um espelho — e não um espelho comum, pois uma única camada de qualquer elemento não reflete quase nenhum EUV.

O que a Zeiss fabrica, em vez disso, é um empilhamento. O substrato do espelho é uma vitrocerâmica chamada Zerodur, escolhida por mal se expandir quando aquecida. Sobre ele, numa câmara de vácuo, a empresa deposita cerca de cem camadas alternadas de molibdénio e silício, cada uma com três ou quatro átomos de espessura. O espaçamento é ajustado de modo a que as ténues reflexões de cada interface se somem em fase, como num cristal de Bragg. Mesmo assim, apenas cerca de 70 por cento da luz é refletida. Seis reflexões depois, metade da luz desapareceu.

O polimento

As tolerâncias geométricas destes espelhos são de pasmar. Uma especificação típica da Zeiss refere um erro de forma da superfície de cerca de cinquenta picómetros (valor quadrático médio - RMS) numa abertura de aproximadamente trinta centímetros. Numa escala em que o espelho cobrisse a Alemanha, a maior saliência teria cerca de um milímetro.

Não se chega lá através do desbaste. Começa-se pelo desbaste — ferramentas de diamante grosseiras, depois pastas abrasivas progressivamente mais finas, o mesmo ofício que fabrica espelhos de telescópio há duzentos anos — e termina-se, mais ou menos, nos limites do que o contacto mecânico permite. Depois, passa-se para o ion beam figuring (configuração por feixe de iões). Um feixe focado de iões de árgon, guiado por um computador sobre um mapa dos pontos altos residuais, remove material átomo a átomo. O mapa propriamente dito provém de interferometria contra um plano de referência que foi calibrado contra outro plano de referência que foi calibrado, em última instância, contra uma esfera cuja redondeza é medida ao rodá-la num rolamento enquanto outro interferómetro observa. Toda a cadeia de metrologia é, por si só, uma história que dura há décadas.

O processo de polimento de um único espelho High-NA dura, segundo os próprios relatos da Zeiss, a maior parte de um ano. O espelho é repetidamente revestido, medido e devolvido ao feixe de iões. É depois montado num suporte cuja estabilidade térmica e isolamento de vibrações são, por si só, tema de teses de doutoramento, e enviado de Oberkochen para Veldhoven, onde a ASML o integra num sistema do tamanho de um autocarro urbano.

Como aqui chegámos

Nada disto era óbvio. Na década de 1980, quando o Lawrence Livermore National Laboratory e um punhado de outros laboratórios americanos começaram a defender que o EUV poderia ser o futuro do fabrico de chips, o consenso era que as tolerâncias óticas eram impossíveis. O consórcio de investigação americano SEMATECH financiou a EUV LLC em 1997 — Intel, Motorola, AMD e os laboratórios nacionais, com um orçamento de cerca de 250 milhões de dólares — para descobrir a verdade. A maior parte dos primeiros avanços nos revestimentos multicamada surgiu em Livermore e Berkeley. A ASML, na altura uma pequena cisão neerlandesa da Philips, ganhou o contrato para construir o protótipo do scanner. A primeira ferramenta de produção EUV, a NXE:3300, foi enviada em 2013, dezasseis anos após o início do consórcio. Os primeiros chips impressos inteiramente com EUV, no nó N5 da TSMC, surgiram em 2020.

A geração atual, designada High-NA EUV, utiliza espelhos anamórficos que não são redondos, mas sim ovais, ampliando a imagem quatro vezes numa direção e oito na outra. A primeira unidade foi entregue à Intel em Hillsboro no final de 2023 e aceite em 2024. Custou aproximadamente 380 milhões de dólares.

O que ainda não sabemos

Não sabemos se é possível levar este limite muito mais além. Abaixo de comprimentos de onda de cerca de 8 nm, a física do revestimento multicamada que faz funcionar o empilhamento de molibdénio-silício começa a falhar; os materiais candidatos para qualquer espelho pós-EUV ainda estão no laboratório. Se o próximo salto da indústria virá de luz mais curta ou do empilhamento vertical de transístores é um debate aceso.

Também não sabemos quanto tempo durará o monopólio. A Zeiss SMT emprega talvez duas mil pessoas nesta linha de produtos; o conhecimento é, em grande parte, tácito, incrustado nos polidores e metrologistas que realizam efetivamente o trabalho. O governo chinês terá alegadamente investido dezenas de milhares de milhões na construção de um equivalente doméstico. Ninguém fora de Oberkochen tem uma noção clara de quão próximos eles estão.

E não sabemos realmente quais são os modos de falha a longo prazo. A ASML envia apenas algumas dezenas de máquinas EUV por ano. O número de anos de operação contínua das primeiras unidades ainda é reduzido. Espelhos com planicidade ao nível do picómetro, atingidos por luz de plasma numa câmara de vácuo durante uma década, acabam por sofrer alterações. O que são exatamente essas alterações é algo que as maiores fábricas do mundo estão a descobrir em tempo real.

O chip no seu bolso existe porque, algures em Baden-Württemberg, alguém está a disparar átomos de árgon contra um pedaço de vidro e a contá-los.

바덴뷔르템베르크의 한 거울은 아르곤 이온의 집중된 빔으로 거의 1년 가까이 연마되어, 원자 너비의 절반인 50피코미터 이내의 평탄도를 유지한다. 시내버스 크기의 네덜란드산 기계 속에 층층이 쌓인 이 거울 여섯 개가 바로 당신의 휴대폰이 존재하는 이유다.

슈투트가르트와 뮌헨 사이의 작은 슈바벤 마을 Oberkochen에 위치한 한 클린룸에서, 저녁 식사 접시 크기의 유리 세라믹 판이 아르곤 이온 폭격을 받는 작업대에 놓여 있습니다. 이온 하나하나가 표면에서 원자 약 한 개 분량의 물질을 떨어뜨립니다. 이 거울은 수개월째 이 작업대 혹은 이와 유사한 곳에 머물러 있습니다. 마침내 제작이 완료되어 검사, 재코팅, 재검사를 거치면, 이 거울은 수소 원자 지름보다 작은 50피코미터 이내의 평탄도를 갖게 될 것입니다. 비용은 1억 유로가 넘습니다. 그리고 이 거울은 거대한 기계 안에 들어가는 6개 정도의 유사한 거울 중 하나가 될 것이며, 이 기계는 다시 말해 지구상에서 여러분의 휴대폰에 들어가는 칩의 패턴을 인쇄할 수 있는 유일한 종류의 장비가 됩니다.

이 기계는 Veldhoven에 본사를 둔 네덜란드 기업 ASML이 제작합니다. 거울은 오버코헨에 위치한 독일 광학 기업의 반도체 부문인 Carl Zeiss SMT가 만듭니다. 양사는 협력을 통해 그 어떤 합리적인 잣대로 보아도 인류가 달성한 가장 어려운 공학적 성과인 물리학의 한 영역을 독점하고 있습니다.

ASML Holding N.V. logo Pixelpatser · BY-SA 4.0

왜 거울이어야 하는가

그 이유는 우리가 회로를 그리는 빛의 파장과 관련이 있습니다. 칩에 더 많은 트랜지스터를 집적하려면 더 미세한 선이 필요하며, 더 미세한 선을 얻으려면 더 짧은 파장이 필요합니다. 30년 동안 이 산업은 용융 석영으로 만든 일반적인 굴절 렌즈를 사용하여 365nm, 248nm, 193nm 등 자외선 영역으로 파장을 줄여왔습니다. 193nm 미만에서는 석영이 빛을 흡수하기 시작합니다. 약 100nm 미만으로 내려가면 모든 물질이 빛을 흡수합니다. 투명한 물질이 존재하지 않으므로 사용할 수 있는 렌즈가 없습니다.

Extreme ultraviolet 빛은 이보다 더 짧은 13.5nm로, 연 X선 범위에 속합니다. 이 빛은 공기, 유리, 대부분의 금속에 흡수됩니다. 렌즈로는 초점을 맞출 수 없습니다. 심지어 실내를 통과하게 할 수도 없습니다. EUV 기계의 전체 광학 칼럼은 진공 상태에 있으며, 빛이 닿는 모든 표면은 거울이어야 합니다. 하지만 일반 거울은 안 됩니다. 어떤 원소든 단일 층으로는 EUV를 거의 반사하지 못하기 때문입니다.

그 대신 자이스(Zeiss)가 만드는 것은 적층 구조입니다. 거울 기판으로는 가열 시 팽창이 거의 없는 제로듀어(Zerodur)라는 유리 세라믹을 사용합니다. 진공 챔버 안에서 회사는 여기에 몰리브덴과 실리콘을 번갈아 가며 각각 원자 3~4개 두께로 약 100층을 증착합니다. 각 경계면에서 발생하는 미세한 반사가 브래그 결정(Bragg crystal)처럼 위상이 더해지도록 간격을 조정합니다. 그렇게 해도 빛의 약 70% 정도만 반사되어 돌아옵니다. 거울을 6번 거치고 나면 빛의 절반이 사라집니다.

연마

이 거울들의 기하학적 공차는 경이로울 정도입니다. 자이스의 일반적인 사양은 약 30cm 구경에 걸쳐 제곱평균제곱근(RMS) 기준 약 50피코미터의 표면 오차를 명시합니다. 이 거울을 독일 전체를 덮을 정도로 확대한다면, 가장 높은 돌출부의 높이는 약 1밀리미터에 불과할 것입니다.

연마만으로는 이 수준에 도달할 수 없습니다. 처음에는 거친 다이아몬드 도구로 시작하여 점차 고운 슬러리를 사용하는, 200년간 망원경 거울을 만들어온 것과 같은 전통적인 연마 방식을 거쳐 기계적 접촉이 허용하는 한계치까지 작업합니다. 그런 다음 ion beam figuring 단계로 넘어갑니다. 컴퓨터로 제어되는 집중된 아르곤 이온 빔이 표면의 잔류 돌출부를 따라 이동하며 원자 단위로 물질을 깎아냅니다. 이 지도 자체는 기준 평면과의 간섭계 측정을 통해 얻어지며, 이 기준 평면 또한 또 다른 기준 평면과 보정된 구체에 대해 검교정된 것입니다. 이 구체의 진원도는 베어링 위에서 회전할 때 다른 간섭계가 관찰하는 방식으로 측정됩니다. 이 전체 계측 체계 자체가 수십 년에 걸친 하나의 역사입니다.

자이스의 설명에 따르면, 단 하나의 고개구수(High-NA) 거울을 연마하는 데만 거의 1년 가까운 시간이 걸립니다. 거울은 반복적으로 재코팅되고, 재측정되며, 다시 이온 빔 작업대로 돌아갑니다. 그 후 열 안정성과 진동 차단 자체가 박사 학위 논문 주제가 될 만큼 정교한 마운트에 조립되어 오버코헨에서 벨트호번으로 배송되며, 이곳에서 ASML은 이를 시내버스 크기의 시스템에 통합합니다.

우리가 여기까지 온 과정

이 모든 과정이 당연했던 것은 아닙니다. 1980년대에 Lawrence Livermore National Laboratory와 몇몇 미국 연구소들이 EUV가 칩 제조의 미래가 될 수 있다고 주장했을 때, 당시의 지배적인 의견은 광학적 공차 달성이 불가능하다는 것이었습니다. 미국 연구 컨소시엄인 SEMATECH는 1997년 인텔, 모토로라, AMD 및 국립 연구소들이 참여하여 약 2억 5천만 달러의 예산을 투입한 EUV LLC를 설립하여 가능성을 타진했습니다. 다층 코팅에 대한 초기 돌파구의 대부분은 리버모어와 버클리에서 나왔습니다. 당시 필립스에서 분사된 작은 네덜란드 기업이었던 ASML은 프로토타입 스캐너를 제작하는 계약을 따냈습니다. 최초의 양산형 EUV 장비인 NXE:3300은 컨소시엄 시작 16년 후인 2013년에 출하되었습니다. EUV로 완전히 인쇄된 최초의 칩은 TSMC의 N5 노드에서 2020년에 등장했습니다.

High-NA EUV라고 불리는 현재 세대는 둥근 모양이 아닌 타원형의 아나모픽(anamorphic) 거울을 사용하여 한쪽 방향으로는 이미지를 4배, 다른 방향으로는 8배 확대합니다. 첫 번째 장비는 2023년 말 힐스버러에 있는 인텔에 인도되어 2024년에 승인되었습니다. 비용은 약 3억 8천만 달러였습니다.

여전히 알 수 없는 것들

회로 선폭을 이보다 더 줄일 수 있을지는 알 수 없습니다. 약 8nm 파장 이하에서는 몰리브덴-실리콘 적층 구조를 가능하게 하는 다층 코팅 물리학이 작동하지 않기 시작합니다. EUV를 넘어서는 차세대 거울을 위한 후보 물질들은 여전히 실험실 단계에 머물러 있습니다. 산업계의 다음 도약이 더 짧은 파장에서 올 것인지, 아니면 트랜지스터를 수직으로 쌓는 방식에서 올 것인지는 활발한 논쟁거리입니다.

이 독점이 얼마나 오래갈지도 알 수 없습니다. 자이스 SMT는 이 제품군에 아마 2천 명 정도를 고용하고 있을 것입니다. 그 지식은 대부분 암묵지이며, 실제로 작업을 수행하는 연마사와 계측사들의 손에 녹아 있습니다. 중국 정부는 자국 내 유사 기술을 개발하기 위해 수백억 달러를 투입했다고 알려져 있습니다. 오버코헨 외부의 그 누구도 그들이 얼마나 근접했는지 명확히 알지 못합니다.

또한 장기적인 고장 유형이 어떤 모습일지도 실제로 알 수 없습니다. ASML은 매년 수십 대의 EUV 장비만을 출하합니다. 초기 장비들이 연속 가동된 시간도 아직 짧습니다. 진공 챔버 안에서 10년 동안 플라즈마 빛에 노출되는 피코미터 단위의 평탄한 거울은 결국 어떠한 변화를 겪을 것입니다. 정확히 어떤 변화가 일어날지는 세계 최대의 반도체 공장들이 실시간으로 확인하고 있는 중입니다.

여러분의 주머니 속에 있는 칩은 바덴뷔르템베르크 어딘가에서 누군가 유리 조각에 아르곤 원자를 쏘며 그것을 하나하나 세고 있기 때문에 존재합니다.

バーデン＝ヴュルテンベルク州の鏡は、アルゴンイオンの集束ビームによって一年近くかけて磨き上げられ、五十ピコメートル、つまり原子一個の幅の半分という精度で平坦に保たれている。路線バスほどの大きさのオランダ製機械の中に積み重ねられたその六枚の鏡こそが、今のあなたのスマートフォンが存在する理由である。

シュトゥットガルトとミュンヘンの間に位置するシュヴァーベンの小さな町、Oberkochenにあるクリーンルームで、ディナープレートほどの大きさのガラスセラミックのブランクが、アルゴンイオンの照射を受けている。各イオンは、表面から原子を1個ずつ弾き飛ばしていく。このミラーは、このステージ、あるいはこれと同等の装置の上に数ヶ月間置かれている。最終的に完成し、検査を受け、再コーティングされ、さらに検査を重ねたとき、その平坦度は50ピコメートル以内――水素原子の直径よりも小さい――に収まることになる。費用は1億ユーロを超える。そして、それが完成すれば、同様のミラー6枚ほどが1台の機械に組み込まれる。その機械こそが、あなたのスマートフォンに入っているチップのパターンをプリントできる、地球上で唯一の存在なのだ。

この機械を製造するのは、Veldhovenに本社を置くオランダの企業、ASMLである。ミラーを製造するのは、オーバーコッヘンにあるドイツの光学機器メーカーの半導体部門、Carl Zeiss SMTだ。両社は、どのような合理的な尺度で見ても、人類がこれまでに成し遂げた中で最も困難なエンジニアリングである物理学の一分野において、独占的な地位を築いている。

ASML Holding N.V. logo Pixelpatser · BY-SA 4.0

なぜミラーが必要なのか

その理由は、描画に使用する光の波長にある。より多くのトランジスタをチップに詰め込むには、より微細な線が必要であり、より微細な線にはより短い波長が必要となる。過去30年間、業界は溶融石英で作られた通常の屈折レンズを使い、紫外線の領域――365nm、248nm、193nm――へと技術を押し進めてきた。しかし、193nmを下回ると、石英は光を吸収し始める。約100nmを下回ると、あらゆる物質が光を吸収してしまう。透明な物質が存在しないため、使用できるレンズは存在しないのだ。

Extreme ultraviolet（極端紫外線）の波長はさらに短く、軟X線領域に相当する13.5nmである。この光は空気、ガラス、そしてほとんどの金属に吸収されてしまう。レンズで焦点を合わせることはできない。それどころか、室内を通すことさえ不可能だ。EUV装置の光学系全体は真空容器内に設置され、光が触れるすべての表面はミラーでなければならない。それも、通常のミラーでは不十分だ。なぜなら、どのような元素であっても単層ではEUV光をほとんど反射しないからである。

ツァイスが代わりに製造するのは積層体である。ミラーの基板には「Zerodur（ゼロデュア）」と呼ばれるガラスセラミックが使われている。これは熱による膨張がほとんどないという理由で選ばれた。同社は真空チャンバー内で、この基板の上にモリブデンとシリコンを交互に、それぞれ原子3〜4個分という厚さで約100層にわたって蒸着させる。各界面からの微弱な反射が、ブラッグ結晶のように位相を揃えて強め合うよう、層の間隔は精密に調整されている。それでも、光の反射率は約70パーセントに過ぎない。6回反射すれば、光の半分は失われてしまう。

研磨

これらのミラーにおける幾何学的公差は、人々を驚嘆させるものだ。ツァイスの典型的な仕様では、約30センチメートルの開口部において、面精度誤差（RMS）が50ピコメートル前後とされている。これをドイツ全土を覆うほどの大きさに拡大すれば、最大の凹凸はわずか1ミリメートル程度ということになる。

研磨だけでこの精度に到達することは不可能だ。最初に行うのは研磨――粗いダイヤモンド工具を使い、徐々に細かいスラリーへと移行する。これは200年間、望遠鏡のミラーを作り続けてきた伝統的な手法と同じだ――。そして、機械的な接触による加工が限界に達したところで、ion beam figuring（イオンビーム加工）に切り替える。コンピュータが制御するアルゴンイオンの集束ビームを、残存する高い部分の地図に基づいて走査し、原子単位で材料をスパッタリングによって除去していく。その地図自体も、基準となる平面との干渉計測定から得られたものであり、その基準平面もまた別の基準平面で校正され、最終的には、回転軸上で回転させながら別の干渉計で監視して真円度を測定した球体まで遡って校正されている。この測定チェーン全体が、数十年にわたる歴史そのものなのだ。

ツァイスによると、単一の高開口数（高NA）ミラーの研磨には1年近くの期間を要する。ミラーは繰り返し再コーティング、再測定され、イオンビーム加工に戻される。その後、熱安定性と除振性能が博士論文のテーマにもなるようなマウントに組み込まれ、オーバーコッヘンからフェルトホーフェンのASMLへと出荷され、市バスほどの大きさのシステムに統合されるのである。

ここに至るまで

これらすべてが当然の帰結だったわけではない。1980年代、Lawrence Livermore National Laboratoryや米国のいくつかの研究所が、チップ製造の未来はEUVにあるかもしれないと主張し始めた当時、光学的な公差は実現不可能であるというのが共通の認識だった。1997年、米国の研究コンソーシアムSEMATECHが、その可能性を探るべく、インテル、モトローラ、AMD、そして国立研究所からなる予算約2億5000万ドルのEUV LLCを立ち上げた。多層コーティングに関する初期のブレイクスルーのほとんどは、リバモア研究所とバークレー研究所から生まれた。当時フィリップスから独立したばかりの小さなオランダ企業だったASMLが、プロトタイプスキャナーの製造契約を勝ち取った。最初の量産型EUVツール「NXE:3300」が出荷されたのは、コンソーシアムの発足から16年後の2013年である。TSMCのN5ノードで、完全にEUVのみを使用してプリントされたチップが登場したのは2020年のことだった。

「High-NA EUV」と呼ばれる現行世代では、円形ではなく楕円形の変形ミラーが使用され、一方の方向に4倍、もう一方の方向に8倍の倍率でイメージを拡大する。最初の一台は2023年末にヒルズボロのインテルへ納入され、2024年に検収された。その費用はおよそ3億8000万ドルである。

まだ分かっていないこと

この線をどこまで先に押し進められるかは分からない。約8nmの波長を下回ると、モリブデンとシリコンの積層を機能させている多層コーティングの物理法則が崩れ始める。EUVの先を見据えたミラーの候補となる材料は、まだラボ段階にある。業界の次の飛躍が、より短い波長の光によるものなのか、あるいはトランジスタを垂直に積み重ねるものなのかは、活発な議論の対象となっている。

また、独占的な地位がいつまで維持できるかも分からない。Zeiss SMTはこの製品ラインに2000人近くを雇用しているが、その知識は大部分が暗黙知であり、実際に作業を行う研磨技術者や測定技術者の中に蓄積されている。中国政府は、国内で同等のものを構築するために数百億ドルを投じていると報じられている。オーバーコッヘンの外部にいる者で、彼らがどれほど近づいているのかを正確に把握している者はいない。

そして、長期的な故障モードがどのようなものになるのか、私たちには本当のところ分からない。ASMLはEUV装置を年間数十台しか出荷していない。初期の装置が連続稼働した年数はまだ短い。真空チャンバー内でプラズマ光を10年間浴び続けたピコメートルレベルの平坦なミラーは、いずれ何らかの挙動を示すはずだ。それが具体的に何であるのかを、世界最大級のファウンドリがリアルタイムで解明しようとしているところである。

あなたのポケットにあるチップが存在するのは、バーデン＝ヴュルテンベルク州のどこかで、誰かがガラスの破片にアルゴン原子をぶつけ、それを数え上げているからである。

Why mirrors at all

The polish

How we got here

What we still don't know

为何非要用反射镜

抛光工艺

溯源往昔

未知的前方

Mengapa harus cermin

Pemolesan

Bagaimana kita sampai di sini

Apa yang masih belum kita ketahui

¿Por qué espejos?

El pulido

Cómo hemos llegado hasta aquí

Lo que aún no sabemos

दर्पण ही क्यों

पॉलिश

हम यहाँ कैसे पहुँचे

हम अब भी क्या नहीं जानते

Pourquoi des miroirs ?

Le polissage

Comment nous en sommes arrivés là

Ce que nous ignorons encore

Почему именно зеркала

Полировка

Как мы к этому пришли

Чего мы до сих пор не знаем

لماذا المرايا أصلًا؟

الصقل

كيف وصلنا إلى هنا

ما لا نزال نجهله

Warum überhaupt Spiegel

Die Politur

Wie wir hierher kamen

Was wir noch nicht wissen

Porquê usar espelhos

O polimento

Como aqui chegámos

O que ainda não sabemos

왜 거울이어야 하는가

연마

우리가 여기까지 온 과정

여전히 알 수 없는 것들

なぜミラーが必要なのか

研磨

ここに至るまで

まだ分かっていないこと

Mentioned in this article

Sources