L’azienda olandese ASML ha speso 9 miliardi di dollari e lavorato 17 anni per trovare un modo per continuare a produrre chip per computer a più alta densità.
di Clive Thompson
Patrick Whelan sbircia attraverso il frontalino della sua protezione per vedere come stanno andando le cose. Davanti a lui c’è un pezzo di vetro scintillante, grosso modo delle dimensioni di un tostapane, che è scolpito con così tante sezioni scavate per ridurne il peso da sembrare un totem alieno. Il team di Whelan lo sta incollando a un grande pezzo di alluminio delle dimensioni di un tavolino da caffè.
Sia il metallo che il vetro sono perfettamente lisci, essendo stati lucidati per settimane per rimuovere le piccole imperfezioni. Nelle 24 ore successive, mentre la colla si solidifica, i lavoratori monitorano ossessivamente la posizione del vetro e del metallo per assicurarsi che si fondano insieme nel modo voluto.
La precisione è una cosa seria qui. Sono a Wilton, nel Connecticut, in una camera bianca dell’azienda olandese ASML, che produce la macchina per la litografia più sofisticata al mondo, un processo cruciale utilizzato per creare i transistor, i cavi e altri componenti essenziali dei microchip. È un dispositivo ambito, con modelli che costano fino a 180 milioni di dollari, che viene utilizzato per creare minuscole caratteristiche di microchip fino a 13 nanometri con un rapido clip.
Questo livello di precisione è fondamentale se sei Intel o TSMC e desideri produrre i processori per computer più veloci e all’avanguardia del mondo. La macchina finale, assemblata presso la sede di ASML nei Paesi Bassi, ha le dimensioni di un piccolo autobus ed è colma di 100.000 minuscoli meccanismi coordinati, incluso un sistema che genera una specifica lunghezza d’onda di luce ultravioletta ad alta energia che fa esplodere gocce di stagno fuso con un laser 50.000 volte al secondo.
Qui a Wilton, il modulo in vetro e metallo che Whelan e il suo team stanno costruendo costituisce un passaggio critico. Trasporterà i modelli necessari per creare un microchip e sfreccerà avanti e indietro mentre la macchina lo colpirà a raffica con luce ultravioletta estrema (EUV), illuminando diverse parti del modello di chip. La luce rimbalzerà quindi su un wafer di silicio delle dimensioni di un piatto da cucina, bruciando il modello in posizione. Whelan si avvicina a un monitor video che mostra uno di questi aggeggi di vetro-metallo che sfreccia avanti e indietro durante il test. Pesa 30 chilogrammi, ma si muove velicissimo.
“Accelera più rapidamente di un jet da combattimento”, dice Whelan, con la barba rasata e gli occhiali oscurati dalla sua attrezzatura. “Se c’è qualcosa che è allentato, volerà via”. Inoltre, dice, il dispositivo si deve bloccare in un punto delle dimensioni di un nanometro, “così si ha una delle cose più veloci sulla terra che si sistema praticamente nello spazio più piccolo che conosciamo”.
Questa combinazione di velocità e precisione è la chiave per stare al passo con la legge di Moore, in cui è stabilito che il numero di transistor stipati in un microchip raddoppia circa ogni due anni man mano che i componenti diventano sempre più piccoli, rendendo i chip più economici e più potenti. Più si impacchettano i transistor, più velocemente i segnali elettrici possono avvolgere il chip. Dagli anni 1960, i produttori di chip hanno ridotto i componenti passando, ogni decennio circa, a una nuova forma di luce con una lunghezza d’onda più piccola.
Ma alla fine degli anni 1990, i produttori erano bloccati alla luce di 193 nanometri e stavano discutendo animatamente su cosa fare dopo. La situazione era grave. I produttori di chip hanno dovuto utilizzare progetti e tecniche sempre più complessi per mantenere viva la legge di Moore, ma sono riusciti a ottenere altri due decenni di prestazioni in aumento.
Nel 2017, ASML ha presentato la sua macchina EUV pronta per la produzione, che utilizza la luce con una lunghezza d’onda di soli 13,5 nanometri. Con una lunghezza d’onda così corta, i produttori di chip possono imballare i transistor con il massimo di densità. Le CPU possono elaborare i numeri più velocemente, utilizzare meno energia o semplicemente rimpicciolirsi. Le prime generazioni di chip con minuscole funzionalità EUV sono già al lavoro per grandi aziende come Google e Amazon, migliorando la traduzione linguistica, i risultati dei motori di ricerca, il riconoscimento delle foto e persino l’intelligenza artificiale.
Un successo che non era garantito
La rivoluzione EUV sta raggiungendo anche i consumatori, dal momento che le macchine ASML vengono utilizzate per realizzare chip per prodotti tra cui alcuni smartphone e Mac Apple, processori AMD e il telefono Samsung Note10+. Man mano che le macchine EUV diventano più comuni, aumenteranno le prestazioni e si ridurrà la richiesta di energia di un numero sempre maggiore di dispositivi di uso quotidiano. La tecnologia EUV apre la strada anche a progetti più semplici, che consentono ai produttori di chip di muoversi più velocemente e produrre più chip per wafer, con conseguenti risparmi sui costi che possono essere trasferiti ai consumatori.
Il successo della litografia EUV era tutt’altro che garantito. La luce è così diabolicamente difficile da manipolare che per anni gli esperti hanno predetto che ASML non ne sarebbe mai venuta a capo. In effetti, i rivali di ASML, Canon e Nikon, hanno rinunciato entrambi a provare anni fa. Quindi ASML ora ha un jolly sul mercato: se si vogliono creare processori all’avanguardia, si ha bisogno di una delle sue macchine.
ASML ne produce solo 55 all’anno che vengono rapidamente vendute ai giganti dei chip del settore; attualmente ne sono state installate oltre 100. “La legge di Moore sta fondamentalmente andando in pezzi, e senza questa macchina, sarebbe già un ricordo del passato”, afferma Wayne Lam, direttore della ricerca di CCS Insight. “Non si possono produrre processori all’avanguardia senza EUV”.
È estremamente raro che una singola azienda detenga il monopolio su una parte così importante della produzione di microchip. Ancora più sorprendente sono le difficoltà da affrontare. ASML ha richiesto 9 miliardi di dollari di ricerca e sviluppo e 17 anni di ricerca, una serie ininterrotta di sperimentazioni, modifiche e scoperte. EUV ora è qui: sta funzionando. Ma la fatica e il tempo necessari per realizzarla – e il suo ingresso tardivo sulla scena – sollevano alcune inevitabili domande. Per quanto tempo EUV sarà in grado di mantenere in vigore la legge di Moore? E cosa accadrà dopo?
Jos Benschop si è unito all’ASML nel 1997, in un perido in cui l’industria dei chip era preoccupata per il suo futuro. Per decenni, gli ingegneri impegnati nella fabbricazione dei chip avevano imparato l’arte della litografia. Il concetto è semplice. Si progettano i componenti di un chip, i suoi fili e semiconduttori, e poi li si incide in una serie di “maschere”, proprio come si realizza uno stencil per mettere un motivo su una maglietta. Quindi si mette ogni maschera su un wafer di silicone e si fa brillare la luce attraverso di essa (più o meno equivalente a spruzzare la vernice sullo stencil).
La luce indurisce il “resist”, uno strato chimico sulla superficie del wafer; poi altre sostanze chimiche incidono quel modello nel silicio. Negli anni 1960, i produttori di chip utilizzavano la luce visibile per questo processo, con una lunghezza d’onda di appena 400 nanometri. Successivamente sono passati alla luce ultravioletta, a 248 nm, e gradualmente l’hanno ridotta a 193 nm, ciò che viene spesso chiamato UV profondo.
Ma alla fine degli anni 1990, sembrava che fosse necessaria una nuova fonte di luce. ASML all’epoca era una piccola azienda di 300 persone che vendeva con successo i suoi strumenti per la litografia UV profonda. Ma per rimanere rilevanti, si sono resi conto, avrebbero dovuto fare R&S di alto livello. Benschop, un dirigente alto e spigoloso con modi esuberanti ma ironici, fu assunto come primo addetto alla ricerca. Iniziò a partecipare a grandi conferenze, tenute due volte l’anno, in cui pensatori profondi delle principali aziende di chip e agenzie governative si accarezzavano il mento e discutevano su quale forma di luce utilizzare in seguito.
Gli esperti valutarono diverse opzioni, tutte con enormi problemi. Un’idea era quella di usare uno spruzzo di ioni per disegnare modelli sui chip; il sistema avrebbe potuto funzionare, ma nessuno riusciva a capire come farlo rapidamente su larga scala. Lo stesso valeva per sparare fasci di elettroni. Alcuni sostennero l’uso dei raggi X, che hanno una lunghezza d’onda minuscola, ma comportano delle sfide. L’idea finale fu l’ultravioletto estremo, con una lunghezza d’onda che può arrivare fino a 13,5 nanometri, abbastanza vicino ai raggi X. Sembrava una buona soluzione.
Come generare la luce necessaria?
Il problema era che EUV avrebbe richiesto una forma completamente nuova di macchina litografica. Quelle esistenti utilizzavano lenti di vetro tradizionali per focalizzare la luce sul wafer. Ma la luce EUV è assorbita dal vetro; si ferma di colpo. Se la si volesse mettere a fuoco, si dovrebbero sviluppare specchi curvi come quelli usati nei telescopi spaziali. Peggio ancora, EUV viene persino assorbita dall’aria, quindi si dovrebbe rendere l’interno della macchina un vuoto perfettamente sigillato. E si avrebbe avuto bisogno di generare luce EUV in modo affidabile. Nessuno sapeva come farlo.
Intel aveva armeggiato con l’idea, così come il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. Ma si trattava per lo più di esperimenti di laboratorio. Per creare una macchina litografica credibile per la produzione di chip, si aveva necessità di sviluppare tecniche affidabili in grado di funzionare rapidamente e produrre chip alla rinfusa. Dopo tre anni di riflessione, nel 2000 ASML decise di mettere in gioco l’azienda e cercare di controllare la nuova tecnica di litografia. Erano una piccola azienda, ma se fossero riusciti a farcela, sarebbero diventati un gigante.
C’erano così tanti problemi di ingegneria da risolvere che, i dirigenti di ASML iniziarono a chiamare le aziende che avevano realizzato componenti per le loro macchine esistenti. Tra le altre contattarono Zeiss, l’azienda di ottica tedesca che da anni produceva lenti in vetro per ASML. Gli ingegneri di Zeiss avevano esperienza con EUV, inclusa la realizzazione di lenti e specchi estremamente precisi per telescopi a raggi X. Il trucco era rivestire la superficie degli specchi EUV con strati alternati di silicio e molibdeno, ciascuno spesso solo pochi nanometri, che insieme producono un sistema che riflette fino al 70 per cento della luce EUV che lo colpisce.
Il problema era come lucidarli. La macchina avrebbe avuto bisogno di 11 specchi per far rimbalzare la luce EUV e focalizzarla sul chip, un po’ come 11 giocatori di Ping-Pong che fanno rimbalzare una pallina dall’uno all’altro verso un bersaglio. Poiché l’obiettivo era incidere i componenti del chip misurati in nanometri, ogni specchio doveva essere incredibilmente liscio. Il più piccolo difetto avrebbe mandato fuori strada i fotoni EUV.
Per dare un senso delle dimensioni di scala, se si prendesse lo specchio di un bagno e lo si ingrandisse fino alle dimensioni della Germania, avrebbe delle protuberanze alte circa cinque metri. Facendo la stessa cosa con lo specchio EUV più liscio che gli ingegneri di Zeiss abbiano mai realizzato – per i telescopi spaziali – le imperfezioni non andrebbero oltre i due centimetri. Questi specchi per ASML dovrebbero essere di ordini di grandezza più lisci: se fossero delle dimensioni della Germania, le loro impurità non supererebbero un millimetro. “Stiamo parlando degli specchi più precisi al mondo”, afferma Peter Kürz, responsabile dello sviluppo della prossima generazione di ottiche EUV presso Zeiss.
Una grande parte del lavoro di Zeiss sarebbe consistito nell’ispezionare gli specchi per cercare imperfezioni e quindi utilizzare un raggio ionico per eliminare le singole molecole, levigando gradualmente la superficie in mesi e mesi di lavoro. Mentre Zeiss stava sviluppando gli specchi, Benschop e altri fornitori ASML stavano lavorando alla loro altra grande sfida: come creare una sorgente luminosa che producesse un flusso costante di EUV. Questo problema li avrebbe perseguitati per anni.
Per generare EUV, è necessario creare un plasma, una fase delicata della materia che esiste solo a temperature estremamente elevate. Dopo i primi esperimenti di zapping al litio con impulsi laser per produrre luce EUV, passarono allo stagno, che produceva getti più grandi. All’inizio degli anni 2000, lavorando con Cymer, un’azienda di San Diego, e Trumpf, la produttrice tedesca di laser, ASML aveva costruito qualcosa di simile alla macchina di Rube Goldberg.
Un recipiente riscaldato mantiene lo stagno allo stato liquido che alimenta un ugello che spara una goccia di stagno fuso, “un terzo del diametro di un capello umano”, afferma Danny Brown, vicepresidente dello sviluppo tecnico dell’azienda, nella parte inferiore della macchina. Quando raggiunge il centro della camera di produzione della luce, un impulso laser colpisce la goccia di stagno. Immolato in una raffica che raggiunge una temperatura di circa 500.000 K, lo stagno produce un plasma che si illumina di luce EUV. Il dispositivo ripete questo processo 50.000 volte al secondo.
Sebbene ora potessero generare luce EUV, Brown e il suo team scoprirono rapidamente nuovi problemi. Gli ioni delle esplosioni di stagno ostruivano l’ottica. Per ripulire le cose, si resero conto, avrebbero potuto pompare idrogeno nella camera luminosa, dove avrebbe reagito con gli ioni di stagno e li avrebbe aiutati a portarli via. Ma i tempi si allungavano. Benschop aveva inizialmente previsto che avrebbero avuto macchine EUV “in volume” entro il 2006. In realtà, in quell’anno avevano prodotto solo due prototipi. I prototipi hanno funzionato, incidendo modelli più finemente di qualsiasi macchina litografica nella storia. Ma erano lenti. La fonte di luce era ancora troppo scarsa.
Il resto del settore non era immobile
Nel frattempo, la macchina stava raggiungendo dimensioni incredibilmente complesse. Conteneva braccia robotiche che muovevano wafer, motori che acceleravano il reticolo – quel grosso pezzo di vetro che sostiene il modello – fino a 32 volte la gravità terrestre e aveva raggiunto nell’insieme 100.000 parti, 3.000 cavi, 40.000 bulloni e due chilometri di tubi. Inoltre, tutto era interconnesso. Si scoprì, per esempio, che il calore della luce EUV aveva alterato microscopicamente le dimensioni degli specchi. Ciò costrinse Zeiss e ASML a sviluppare sensori in grado di rilevare qualsiasi cambiamento, attivando un software che spostasse le posizioni degli specchi utilizzando attuatori di precisione.
Il resto del settore era alla ricerca di sistemi più elaborati per estendere il più possibile le prestazioni della luce UV profonda, per impacchettare più transistor sui chip. Una tecnica, chiamata “immersione”, prevedeva l’applicazione di uno strato d’acqua sul chip, che rifrangeva la luce in entrata e consentiva di focalizzarla in uno schema più stretto. Gli ingegneri della litografia avevano anche sviluppato una tecnica, la cosiddetta “modellazione multipla”, per modellare e intagliare più volte uno strato di chip, per produrre dettagli più fini. Complessivamente, questi approcci spinsero i componenti del chip fino a 20 nanometri.
Ma queste stravaganti innovazioni resero anche molto più complesso l’atto della fabbricazione dei chip. L’immersione richiedeva la gestione della presenza di acqua nel delicato processo di litografia, compito non facile. E i progettisti di chip ritennero oneroso modificare i loro progetti per lavorare con più modelli. L’UV profondo si stava esaurendo e tutti lo sapevano.
A metà degli anni 2010, tuttavia, iniziò a sembrare che EUV potesse finalmente venire in soccorso. Brown e il suo team si erano immersi nella letteratura scientifica, alla ricerca di modi per ottenere di più da ogni goccia di stagno. Come ex ricercatore universitario che ha studiato fisica del plasma, era noto all’interno dell’ASML per aver sollevato questioni scientifiche di rilievo teorico, ma con pochi risvolti pratici. Questa volta, però, la conoscenza della letteratura scientifica diede i suoi frutti. Brown suggerì di colpire ogni goccia di stagno con il laser due volte. Una prima esplosione avrebbe appiattito la gocciolina in una forma a pancake, permettendo a una seconda esplosione, milionesimi di secondo dopo, di produrre molto più EUV. Il suo team escogitò un modo per farlo su larga scala.
Altre scoperte sono arrivate per caso. Poiché la loro capacità di immolare lo stagno era migliorata, il processo produsse più detriti di quanti l’idrogeno potesse ripulire. Le prestazioni dello specchio degradavano. Poi un giorno notarono una cosa interessante: gli specchietti non si degradavano così velocemente dopo che la macchina era stata aperta per la manutenzione. Come si scoprì successivamente, l’ossigeno nell’aria che era entrato aveva contribuito a invertire la contaminazione. ASML integrò nel progetto l’aggiunta occasionale di piccole quantità di ossigeno.
A metà del 2017, l’azienda ha finalmente avuto una demo funzionante che ha inciso i chip a un ritmo adeguato al settore: 125 wafer all’ora. Quell’anno, ASML ha iniziato finalmente a spedire macchine che avrebbero rivoluzionato la produzione di chip. Una volta che il mercato si è reso conto che ASML aveva il monopolio sugli strumenti all’avanguardia, le sue azioni hanno iniziato a salire, raggiungendo i 549 dollari e rendendo la capitalizzazione di mercato dell’azienda quasi delle dimensioni di quella di Intel.
Una macchina meravigliosa da vedere
Quando ho visitato Wilton, mi hanno accompagnato per vedere un enorme blocco di alluminio fresato che costituisce la parte superiore del dispositivo. È lungo 2 metri e mezzo, largo 1, 8 e spesso 60 centimetri. Luccicante come il telaio di un’astronave, contiene il reticolo di vetro e su di esso sono anche montate enormi pompe molecolari a forma di botte. Ogni pompa contiene minuscole lame che girano a 30.000 giri/min, aspirando tutti i gas dalla macchina per produrre un vuoto all’interno. “In realtà spingono via le molecole del gas, una alla volta”, mi ha spiegato Whelan.
Si potrebbe obiettare che il principale successo dell’ASML non è stato tanto nel fabbricare macchinari quanto nella precisione. Quando ho visitato l’officina meccanica, ho visto enormi pezzi di vetro che venivano intagliati per il reticolo. Dopo che ogni pezzo di vetro è stato fresato, viene posto su macchine che lo levigano gradualmente per centinaia di ore nell’arco di diverse settimane. Come mi ha raccontato il direttore dell’officina meccanica Guido Capolino, visionano il vetro per tutto il tempo per vedere quante imperfezioni vengono rimosse, a partire dai micron grossolani. Ha indicato una lucidatrice dietro di noi, dove i pezzi di vetro ruotavano lentamente sopra un impasto liquido di miscela lucidante.
Il successo di ASML con EUV ha fatto guadagnare all’azienda un profondo rispetto nell’industria dei microchip. Chris Mack, un veterano della litografia dei chip da quattro decenni, è attualmente il chief technology officer di Fractilia, un’azienda che produce software per la produzione di chip. Dice che il motivo per cui ASML e i suoi partner hanno avuto successo, dove altri non hanno mai nemmeno osato provare, è la pura e ostinata perseveranza.
I componenti sono sempre più piccoli
Grandi aziende come Intel, TSMC e Samsung possono costruire chip sempre più veloci e a risparmio energetico. “I nostri progettisti possono tirare un sospiro di sollievo”, afferma Sam Sivakumar di Intel. “La legge di Moore è viva”. Man mano che più macchine EUV saranno online e il loro costo si ammortizza, la tecnologia si applicherà a un numero crescente di dispositivi di uso quotidiano. L’unico posto che non trarrà beneficio dalla rivoluzione EUV, almeno a breve termine, è la Cina.
Preoccupati che la Cina rappresenti una minaccia tecnologica, sia le amministrazioni Trump che Biden hanno fatto pressioni con successo sui Paesi Bassi per impedire ad ASML di vendere macchine EUV ai clienti in quel paese. Ma la Cina può produrre autonomamente i dispositivi EUV? Alcuni osservatori del settore sospettano di no.
Il successo di ASML con EUV ha richiesto un’enorme collaborazione con aziende con sede ovunque, dalla Germania agli Stati Uniti al Giappone (il che rende le sostanze chimiche fondamentali per le maschere litografiche). La Cina, essendo relativamente isolata, ha poche possibilità da sola, secondo Will Hunt, analista del Center for Security and Emerging Technology della Georgetown University. “Non può colmare questo divario”, dice.
Ciò che è possibile, suggeriscono altri osservatori, è che ci sarà semplicemente un ritardo nella capacità della Cina di acquistare macchine EUV. In genere, i produttori di chip cinesi lavorano con strumenti di ultima generazione che sono un passo indietro rispetto a quelli utilizzati da TSMC a Taiwan, Samsung in Corea o Intel negli Stati Uniti, afferma CJ Muse. Quindi, quando la prima generazione di macchine EUV di ASML diventerà un po’ più vecchia, tra qualche anno, e l’industria passerà a modelli più recenti, la Cina potrebbe essere autorizzata ad acquistarle.
In effetti, ASML sta già lavorando a una versione migliorata del dispositivo. Sarà in grado di focalizzare la luce EUV a un livello ancora più nitido grazie a quella che è nota come un’apertura numerica più alta, che gli consente di incidere componenti che potrebbero essere larghi meno di 10 nanometri. Questa macchina EUV “high-NA” avrà specchi più grandi. Intel è attualmente il primo cliente di una di queste macchine di nuova generazione e prevede di vendere i suoi primi chip costruiti con esse entro il 2025.
ASML e la maggior parte degli osservatori ritengono che EUV aiuterà i chip a progredire almeno fino al 2030, e forse più a lungo. Dopotutto, alcuni dei trucchi che i progettisti di chip hanno sviluppato per mantenere gli UV profondi per così tanto tempo dovrebbero essere ripetibili con EUV. Ma ad un certo punto nel prossimo decennio o giù di lì, il desiderio dell’industria dei chip di ridurre le funzionalità inizierà a scontrarsi con alcune limitazioni fisiche che sono ancora più ostiche di quelle che hanno attualmente superato.
Per prima cosa, iniziano a emergere problemi quantistici. I produttori di chip che utilizzano le macchine EUV di ASML devono lottare con “errori stocastici”: i raggi di luce EUV si perdono naturalmente, producendo schemi errati sui chip. Non si tratta di problemi insormontabili, ma pur sempre impegnativi per i produttori di chip più piccoli. Supponendo che “high NA” mantenga la legge di Moore fino al 2030, cosa succederà allora? Gli esperti del settore ritengono che ASML continuerà a esplorare dispositivi con un’apertura numerica ancora più elevata, consentendo loro di concentrare l’EUV su punti sempre più piccoli.
Allo stesso tempo, i progettisti di chip stanno esaminando strategie per migliorare i chip che non dipendono così tanto da un’ulteriore miniaturizzazione, come estendere le architetture verso l’alto e costruire nella terza dimensione impilando strati di chip. Comunque, quale tecnologia di litografia potrebbe venire dopo EUV, nessuno lo sa ancora. Sivakumar di Intel non avanza ipotesi e Mack ha affermato che al di fuori dell’EUV ad high NA, “nient’altro” è in fase di sviluppo intensivo.
All’interno della camera bianca di Wilton, Whelan mi ha fatto vedere la loro macchina EUV ad high NA. Mi ha fatto entrare in un’enorme stanza pulita delle dimensioni di un campo da football. Nell’angolo c’era un letto a reticolo di alluminio lucido. Era proprio come quello che avevo visto per la macchina EUV originale, ma questo era grande quasi quanto un vagone della metropolitana e pesava ben 17 tonnellate. Hanno dovuto installare delle gru sul tetto per spostarlo.
“Ecco la macchina che ci aiuterà a far vivere la legge di Moore nel futuro”, ha concluso Whelan.
Clive Thompson è un giornalista scientifico e tecnologico con sede a New York City e autore di Coders: The Making of a New Tribe and the Remake of the World.
Immagine: Il modulo superiore della macchina EUV di nuova generazione di ASML è costituito da un pezzo di alluminio fresato da 17 tonnellate, di Christopher Payne
(rp)