در یک منطقه صنعتی آرام در شهر وِلدخوِن (Veldhoven) کشور هلند، دستگاههایی ساخته میشوند که پیچیدگی آنها به حدي است که تنها چند نمونه از آنها در سراسر کره زمین وجود دارد. قیمت هر یک از این ماشینآلات 380 میلیون دلار است، 180 تن وزن دارند، از 100 هزار قطعه تشکیل شدهاند و جابهجایی هر دستگاه نیازمند سه فروند هواپیمای باری بوئینگ 747 است. این تجهیزات، دستگاههای لیتوگرافی فرابنفش شدید (EUV) ساخت شرکت ASML هستند و تنها فناوری موجود در جهان برای تولید پیشرفتهترین پردازندههای کامپیوتری محسوب میشوند.
هر سرور هوش مصنوعی، ابررایانه، لپتاپ یا تلفن هوشمندی که امروز با پردازندههای نوین کار میکند، به قطعات ساختهشده با فناوری این شرکت وابسته است. این موضوع فراتر از یک روایت ساده از موفقیت یک برند تجاری است؛ بلکه یک نقطه حساس و بحرانزا در ژئوپلیتیک جهانی محسوب میشود. تمرکز تولید پیشرفتهترین قطعات نیمههادی در انحصار یک شرکت اروپایی، به معنای گذر آینده هوش مصنوعی، توسعه نظامی و رقابت اقتصادی جهان از یک مجرای واحد است.
اهمیت حیاتی لیتوگرافی در ساخت پردازنده
برای درک جایگاه این غول هلندی، باید نگاهی به خط تولید نیمههادیها بیندازیم و از سختی بینظیر مینیاتوریسازی در این صنعت آگاه شویم. یک پردازنده مدرن موبایل، حدود 16 تا 20 میلیارد ترانزیستور را در فضایی به اندازه ناخن دست جای میدهد. اندازه هر ترانزیستور در پردازندههای جدید به 3 الی 5 نانومتر (حدود عرض 20 اتم سیلیسیم) میرسد. برای مقایسه بهتر، به یاد داشته باشید که یک تار موی انسان حدود 80 هزار نانومتر ضخامت دارد. مهندسان در حال خلق جزئیاتی هستند که 25 هزار بار باریکتر از یک تار موی انسان هستند.
ساخت این قطعات نیازمند فرآیند فوتولیتوگرافی است. در این روش از نور برای حک کردن الگوهای مدار روی ویفرهای سیلیسیمی استفاده میشود. محدودیت اصلی در این فرآیند، طول موج نور است. دستگاههای سنتی لیتوگرافی فرابنفش عمیق (DUV) با نور 193 نانومتری کار میکنند که برای قطعات 7 نانومتری و بزرگتر مناسب هستند، اما تولید تراشههای ۳ نانومتری و ظرافتهای پایینتر با این نور غیرممکن است.
اینجا است که تکنولوژی EUV با استفاده از نور دارای طول موج 13.5 نانومتری وارد عمل میشود؛ نوری که حدود 14 بار کوتاهتر و 5 هزار بار نازکتر از یک تار موی انسان است و دقت مطلق را برای حک کردن مدارهای زیر 5 نانومتر فراهم میکند.
غولهای فناوری و رقابت بر سر پیشرفت
رقابت برای دستیابی به مینیاتوریسازی هرچه بیشتر، تاثیر مستقیمی بر قدرت پردازشی دستگاههای هوشمند و زیرساختهای ابری دارد. فناوری EUV به دلیل پیچیدگی فوقالعاده در ساخت و توسعه، به یک سد نفوذناپذیر تبدیل شده است. در حالی که شرکتهایی چون TSMC، سامسونگ و اینتل به عنوان سازندگان نهایی تراشه شناخته میشوند، این شرکت ASML است که ابزار این پیشرفت را در انحصار کامل خود دارد.
موانع سهگانه و دستاوردهای شگفتانگیز در فناوری EUV
توسعه لیتوگرافی فرابنفش شدید سالها در هالهای از ابهام و غیرممکن بودن قرار داشت. سه چالش بنیادین در مسیر مهندسی این دستگاهها وجود داشت که عبور از هر کدام نیازمند چشماندازی فراتر از حدود مهندسی روزمره بود.
تولید منبع نور EUV
هیچ منبع نوری استانداردی قادر به تولید نور با طول موج 13.5 نانومتر نیست. راهکار مهندسان برای عبور از این بنبست، بمباران قطرات بسیار ریز قلع مذاب با یک لیزر 40 هزار واتی به تعداد 50 هزار بار در هر ثانیه بود. این برخورد شدید، پلاسمایی تولید میکند که نور مدنظر را ساطع میکند. از آنجا که هوای معمولی این نور را جذب میکند، کل این عملیات باید در یک محفظه خلأ انجام شود. بخش سایمر (Cymer) که در سال 2013 خریداری شد، مسئول توسعه این منبع نور پیشرفته است.
هدایت و متمرکز کردن نور فرابنفش شدید
عدسیهای شیشهای رایج، نور EUV را فوراً جذب کرده و بیاثر میکنند. برای رفع این مشکل، از آینههای چندلایه با پوشش مولیبدن و سیلیسیم استفاده میشود که در بالاترین سطح دقت ساختگی تاریخ بشر صیقل داده شدهاند. غول اپتیک آلمان، شرکت زایس (ZEISS)، یک سیستم نوری کاملاً مبتنی بر آینه را برای کار در محیط خلأ طراحی کرد. این سیستم 1.5 متر ارتفاع و 3.5 تن وزن دارد و از بیش از 35 هزار قطعه تشکیل شده است.
دقت این آینهها به قدری بالاست که اگر سطح آنها را به اندازه کل کشور آلمان بزرگ میکردیم، بلندترین ناهمواری روی آن تنها 0.1 میلیمتر ارتفاع میداشت. ساخت هر یک از این آینهها ماهها زمان میبرد.
مدیریت توان و افزایش سرعت تولید
نسلهای اولیه دستگاههای EUV با مشکلات اساسی در توان خروجی و سرعت تولید ویفر مواجه بودند و تنها میتوانستند 2 تا 5 ویفر را در ساعت پردازش کنند. با بهینهسازی فرآیندها و ارتقای لیزرها، نسلهای جدید توانستهاند بازدهی خود را به شدت افزایش دهند تا تامین تقاضای فزاینده بازار برای پردازندههای هوش مصنوعی و موبایلهای پرچمدار به یک مسیر پایدار تبدیل شود. انحصار در تولید این ماشینآلات به قدری حیاتی است که درگیریهای تجاری و محدودیتهای صادراتی پیرامون آن، نقشه راه توسعه تکنولوژی در آینده را تغییر خواهد داد.
