Na přelomu 20. a 21. století čelila výroba mikročipů zásadní výzvě: jak vytvořit ještě menší a efektivnější tranzistory, když se dosud užívané metody tisknutí čipů začaly dostávat na hranice svých možností. Řešení přišlo v podobě technologie zvané „Extrémní ultrafialová litografie“ zkráceně EUV.
Co je to vlastně litografie?
Litografie v podstatě spočívá v promítání geometrického vzoru na destičku potaženou fotorezistem. Tento fotopolymer se při osvětlení maskou mění tak, že se osvícené oblasti stanou rozpustnými nebo nerozpustnými, což umožňuje leptání mikroskopických struktur na sebe.
Potřeba nové technologie pro mikročipy
Na konci 20. století se ukázala potřeba vyvinout novou technologii pro výrobu ještě menších mikročipů. Do té doby se na výrobu čipů používalo UV světlo s vlnovou délkou 192 nm, které už bylo příliš široké na to, aby umožnilo přesně vyrýt stále menší tranzistory do křemíkových krystalů, ktré poté byly vyplněny mědí. Hiroo Kinoshita navrhl použití rentgenového záření s vlnovou délkou pouze 10 nm a v roce 2000 byl vytvořen první prototyp, který používal extrémní ultrafialovou litografii (EUV), tento stroj byl schopný vytvořit vzory o velikosti 70 nm. K tomu využíval 8 wolfram-karbonových zrcadel, která však absorbovala příliš mnoho rentgenového záření, čímž na výstupu zůstalo pouze 4 % energie. Aby se tato technologie vyrovnala UV litografii, bylo potřeba zvýšit energii z 9,8 W na minimálně 100 W, což v té době vypadalo jako nemožné. Technologie EUV byla opuštěna, jediná firma která se jí zabývala, byla firma ASML.
Vývoj silného zdroje záření
Výzvou byl vývoj dostatečně silného zdroje záření. První možností bylo použít proces ionizace plynu pomocí magnetického pole. To způsobí, že se elektrony odchýlí od svých orbitů kolem jádra a po vypnutí magnetu se vrátí zpět, což vyzařuje světlo o určité vlnové délce. Tento proces má však svou nevýhodu, jeho výstupní výkon byly pouze 4 W místo požadovaných 100 W. Druhá možnost byla použít dost silný laser k ionizaci kovu, což vedlo k výrazně efektivnějšímu procesu generování záření. Tento proces nebyl zrovna jednoduchý, ale pro tento účel naprosto vyhovující.
Důležitý byl i výběr materiálu pro tvorbu záření, protože každý materiál vytváří jiné záření. U prototypu EUV se používal vzácný plyn xenon, ale pro vytváření záření o vlnové délce 13 nm byl mnohem efektivnější cín. Problémem však bylo to, že cín absorboval EUV záření. Díky mikroskopické trubce vytvářely malé kapičky tekutého cínu a tyto kapičky poté byly zasahovány laserem, což minimalizovalo ztrátu EUV. Do přístroje takto bylo kapáno tisíce stejných kapek každou sekundu. I přes tyto pokroky výkon stále nebyl dostatečný, protože kapky cínu byly příliš husté, což vedlo k ne úplnému vypařování cínu a nevypařené části kapek stále pohlcovaly značnou část EUV záření. Tento problém byl vyřešen tím, že kapky byly nejprve zasáhnuty slabším laserem, který je zploštil, a následně silnějším pulsem, který je úplně vypařil.
Celý proces byl navíc realizován pod nízkým tlakem směsi vodíku a kyslíku, tato směs se velmi zahřívala, a proto musela do přístroje neustále proudit rychlostí až 360 km/h, což je větší rychlost než kategorie 5 hurikánu, aby se zařízení nepřehřívalo.
Zrcadla pro rentgenové záření
Problémem byl ten, že zrcadla, která se používala pro odrážení EUV nebyly efektivní. Začaly tedy využívat zrcadla ze silikonu a molybdenu, která byla schopná odrážet až 70 % záření o vlnové délce 13 nm. Zrcadla však byla stále poškozována vysokou intenzitou EUV záření, a tak je bylo třeba čistit každých 10 hodin. Stroj nakonec napustili plynem vodíku a kyslíku, který dokázal udržet zrcadla čistá. K tomu byly zrcadla vybaveny senzory, které měřily jejich pozici a úhel s přesností na piko-radiány, aby byla zachována vysoká přesnost.
Současnost EUV strojů
Nejnovější stroje dokážou laserem třikrát zasáhnout kapku roztaveného cínu o velikosti bílé krvinky (~30 mikronů) pohybující se rychlostí 250km/h a tím ji rozžhavit na teplotu 220,000°K (čtyřicetinásobek teploty povrchu Slunce) a tento proces provádějí 50,000 krát každou sekundu. To znamená, že vystřelí paprsek 150 tisíckrát za sekundu a nikdy neminou. I přesnost těchto strojů je obdivuhodná, protože klade vrstvu čipu na vrstvu předchozí s nepřesností pouze 5 atomů. To dokáže jen díky soustavě zrcadel, které jsou nejspíš ty nejhladší objekty ve vesmíru, kdybyste totiž jedno zrcadlo zvětšili na velikost Země, tak nejvyšší nerovnost by nebyla větší než šířka jedné hrací karty. Aby toho nebylo málo tak část tohoto zařízení pracuje se zrychlením, které přesahuje 20G přetížení, aby zajistilo dostatečnou produkci mikročipů. A celý tento stroj si sami můžete koupit za 400milionů dolarů.
