کالبدشکافی لیتوگرافی EUV: پیشرفته‌ترین دستگاه ساخت بشر واقعاً چگونه کار می‌کند؟

تصور کنید یک دستگاه به اندازه یک اتوبوس شهری که بیش از ۲۰۰ میلیون دلار قیمت دارد، در خلأ کامل، ۵۰ هزار بار در ثانیه یک قطره میکروسکوپی از فلز قلع را با لیزر هدف قرار می‌دهد. این توصیف یک سلاح علمی‌تخلیلی نیست؛ این دقیقاً همان اتفاقی است که در قلب دستگاه‌های لیتوگرافی فرابنفش فرین (EUV) ساخت شرکت هلندی ASML رخ می‌دهد. بازاریابی شرکت‌های فناوری دوست دارند ساخت تراشه را به عنوان یک فرآیند تمیز و جادویی از «چاپ سیلیکون» توصیف کنند، اما واقعیت فیزیکی این دستگاه‌ها بیشتر شبیه به کنترل یک انفجار ستاره‌ای در مقیاس نانو است.[1]

برای درک اینکه چرا به چنین ماشین هیولایی نیاز داریم، باید به مشکل طول موج نگاه کنیم. دهه‌هاست که صنعت نیمه‌هادی از نور فرابنفش عمیق (DUV) با طول موج ۱۹۳ نانومتر برای چاپ مدارهای الکترونیکی استفاده می‌کند. اما وقتی می‌خواهید خطوطی به ضخامت کمتر از ۱۰ نانومتر بکشید، استفاده از نور ۱۹۳ نانومتری مثل این است که بخواهید با یک قلم‌موی ضخیم نقاشی ساختمان، مینیاتور بکشید. صنعت به نوری با طول موج بسیار کوتاه‌تر نیاز داشت. راه حل، نور EUV با طول موج ۱۳.۵ نانومتر بود. اما یک مشکل بزرگ وجود داشت: این نور به طور طبیعی روی زمین وجود ندارد و تقریباً توسط هر ماده‌ای، حتی هوا، جذب می‌شود.[2]

مکانیسم تولید این نور، شاهکار مهندسی و همزمان یک کابوس فیزیکی است. در داخل محفظه خلأ دستگاه، یک ژنراتور قطرات قلع مذاب را با سرعت بالا به پایین پرتاب می‌کند. سپس یک سیستم لیزر قدرتمند (ساخت شرکت آلمانی TRUMPF) وارد عمل می‌شود. این لیزر هر قطره را نه یک بار، بلکه دو بار هدف قرار می‌دهد. پالس اول، که قدرت کمتری دارد، به قطره قلع برخورد کرده و آن را به شکل یک پنکیک تخت درمی‌آورد تا سطح مقطع آن افزایش یابد.[1]

بلافاصله پس از آن، پالس اصلی و بسیار قدرتمندتر شلیک می‌شود. این پالس، پنکیک قلع را تبخیر کرده و به پلاسمایی با دمای ۲۲۰ هزار درجه سانتی‌گراد تبدیل می‌کند؛ یعنی حدود ۴۰ برابر داغ‌تر از سطح خورشید. این پلاسمای فوق‌داغ است که سرانجام نور ۱۳.۵ نانومتری EUV را از خود ساطع می‌کند. این فرآیند خشن و پرانرژی ۵۰ هزار بار در هر ثانیه تکرار می‌شود تا نور کافی برای چاپ مدارهای تراشه فراهم شود. اینجاست که ادعای «چاپ تمیز» رنگ می‌بازد؛ ما با یک کوره پلاسمای در حال انفجار روبرو هستیم.[1]

اما تولید نور تنها نیمی از مشکل است. از آنجا که نور EUV توسط شیشه جذب می‌شود، نمی‌توان از لنزهای سنتی برای متمرکز کردن آن استفاده کرد. در عوض، مهندسان مجبور شدند از آینه‌های بازتابنده استفاده کنند. این آینه‌ها (ساخت شرکت زایس) از حدود ۱۰۰ لایه متناوب سیلیکون و مولیبدن ساخته شده‌اند که هر کدام تنها چند نانومتر ضخامت دارند. دقت این آینه‌ها به حدی است که اگر آن‌ها را به اندازه کشور آلمان بزرگ کنید، بزرگترین ناهمواری روی سطح آن‌ها تنها ۰.۱ میلی‌متر خواهد بود.[2]

با وجود این آینه‌های بی‌نقص، سیستم همچنان با یک چالش کثیف دست‌وپنجه نرم می‌کند: زباله‌های قلع. انفجار ۵۰ هزار قطره قلع در ثانیه باعث پاشش ذرات ریز فلز در داخل محفظه می‌شود. اگر این ذرات روی آینه‌ها بنشینند، بازتاب نور به سرعت کاهش می‌یابد و دستگاه از کار می‌افتد. برای حل این مشکل، ASML از میدان‌های مغناطیسی قدرتمند و گاز هیدروژن برای هدایت و پاکسازی ذرات قلع استفاده می‌کند. این یک سیستم نگهداری دائمی است که نشان می‌دهد این فناوری تا چه حد در لبه‌ی فروپاشی فیزیکی عمل می‌کند.[3]

در نهایت، نور بازتاب‌یافته از روی یک ماسک (الگوی مدار) عبور کرده و روی ویفر سیلیکونی که با مواد حساس به نور (فتورزیست) پوشانده شده، می‌تابد. الکترون‌های ثانویه‌ای که در اثر این تابش آزاد می‌شوند، واکنش‌های شیمیایی را در فتورزیست آغاز کرده و الگوی نهایی ترانزیستورها را شکل می‌دهند. این دستگاه‌ها اکنون در کارخانه‌های TSMC، سامسونگ و اینتل در حال کار هستند و تراشه‌های ۳ نانومتری گوشی‌های پرچمدار را تولید می‌کنند. با این حال، وقتی شرکت‌ها از «نوآوری‌های نرم‌افزاری» خود می‌گویند، نباید فراموش کرد که تمام این پیشرفت‌ها بر دوش این ربات‌های غول‌پیکر و کنترل دقیق پلاسما استوار است.[2][3]

دستگاه‌های EUV نماد نهایی مهندسی مدرن هستند؛ جایی که فیزیک کوانتوم، اپتیک پیشرفته و مکانیک سیالات در کنار هم قرار می‌گیرند تا غیرممکن‌ها را ممکن سازند. هر بار که یک پیام متنی ارسال می‌کنید یا یک تصویر را با هوش مصنوعی پردازش می‌کنید، در واقع در حال استفاده از قدرت پلاسمایی هستید که در کسری از ثانیه، هزاران بار داغ‌تر از خورشید شده است. این فناوری به ما یادآوری می‌کند که پیشرفت‌های دیجیتال ما، ریشه در تسلط بی‌رحمانه بر دنیای فیزیکی دارند.[3]