Nel 2015 la legge di Moore stava per sbattere contro un muro. Non un muro economico o industriale: un muro fisico, fatto della lunghezza d'onda della luce. Per oltre cinquant'anni il numero di transistor stipabili su un chip era raddoppiato ogni due anni, e quel raddoppio è stato — più di ogni visione strategica, più di ogni startup — il vero motore dell'industria tecnologica. Poi il progresso si è fermato.
Se ne è uscito grazie a una sola macchina, prodotta da una sola azienda al mondo, in una cittadina anonima dei Paesi Bassi. È probabilmente il prodotto commerciale più complicato mai costruito dall'umanità, costa oltre 350 milioni di euro al pezzo, e per trent'anni quasi tutti gli addetti ai lavori l'hanno considerata impossibile.
Vale la pena capire perché lo pensavano. E perché avevano ragione.
Il collo di bottiglia si chiama fotolitografia
Un microchip è una città verticale su scala nanometrica: centinaia di strati sovrapposti, chilometri di cablaggio, e sul fondo i transistor — miliardi — che sono gli uno e gli zero del calcolo. Più i transistor sono piccoli, meno strada devono fare i segnali, più veloce è il chip; e più ne entrano nella stessa area.
Il processo di fabbricazione, semplificato all'osso, è un ciclo di quattro passaggi che si ripete per ogni strato: rivestire, esporre, incidere, depositare. Si parte da un lingotto di silicio monocristallino, tirato lentamente da un bagno fuso attorno a un cristallo seme e poi affettato in wafer con seghe a filo diamantato. Ogni wafer viene ricoperto di photoresist, un materiale fotosensibile. Si proietta la luce attraverso una maschera che porta il disegno di uno strato, le zone esposte diventano solubili, si sciacqua, si incide il silicio scoperto, si riempie il solco con rame. Poi si ricomincia. A seconda del chip, gli strati sono da dieci a cento; quello dei transistor, sul fondo, richiede da solo centinaia di passaggi che devono riuscire tutti perfetti.
Di questi quattro passaggi, uno solo decide quanto piccolo può essere il transistor: l'esposizione. La fotolitografia è il collo di bottiglia dell'intera industria.
Perché la luce si è fermata a 193 nanometri
Sembra banale — la luce passa dai fori della maschera e viene bloccata dal resto — ma quando le aperture si avvicinano alla lunghezza d'onda della luce comincia la diffrazione. Ogni fessura diventa una sorgente che si allarga e interferisce con le altre: dove le creste coincidono si ottiene un punto luminoso, dove cresta incontra ventre il buio.
I progettisti non combattono la diffrazione, la usano: partono dal disegno che vogliono ottenere sul wafer e calcolano a ritroso le fessure che, interferendo, lo produrranno. Ma per ricostruire l'immagine servono almeno l'ordine zero e i primi ordini di diffrazione — e più le strutture sono piccole, più l'angolo tra questi ordini si allarga, quindi più grande deve essere la lente che li raccoglie. La misura di quell'apertura è l'apertura numerica (NA), cioè il seno di quell'angolo: al massimo teorico, quando l'angolo è di 90 gradi, NA vale 1 e la lente dovrebbe essere infinita.
Tutto questo è riassunto nell'equazione di Rayleigh, che lega la dimensione minima stampabile alla lunghezza d'onda divisa per l'apertura numerica. Se l'NA ha un tetto invalicabile, resta una sola variabile su cui agire: accorciare la lunghezza d'onda. Ed è esattamente ciò che l'industria ha fatto, fino ad assestarsi verso la fine degli anni Novanta sui 193 nanometri dell'ultravioletto profondo. Con quella luce sono stati fabbricati tutti i chip più avanzati fino al 2015. Poi lo spazio è finito.
L'idea folle: usare i raggi X
La via d'uscita era stata immaginata trent'anni prima. Negli anni Ottanta lo scienziato giapponese Hiroo Kinoshita propose di scendere direttamente a lunghezze d'onda da raggi X molli, intorno ai 10 nanometri. In teoria, una rivoluzione. In pratica, un vicolo cieco: a quelle energie i fotoni strappano elettroni agli atomi, quindi quasi tutti i materiali li assorbono. Compresa l'aria — il che impone il vuoto — e soprattutto comprese le lenti. Niente lenti significa nessun modo di focalizzare la luce.
Nel 1983 Kinoshita si imbatté in un articolo di Jim Underwood e Troy Barbee su specchi capaci di riflettere raggi X a 4,48 nanometri. E uno specchio curvo focalizza esattamente come una lente.
Il trucco di Underwood e Barbee è elegante: alternare strati sottilissimi di due materiali con indici di rifrazione diversi. Un film di tungsteno spesso meno di un nanometro riflette meno dell'1% dei raggi X; ma se lo spessore è calibrato in modo che il cammino della radiazione trasmessa valga un quarto di lunghezza d'onda, e sopra si mette uno strato di carbonio, la riflessione successiva torna indietro sfasata di mezza lunghezza d'onda e in fase con la prima. Ripetendo il trucco per 76 strati si arriva a riflettere circa il 6% della luce. Poco — ma è la dimostrazione che riflettere i raggi X è possibile.
Kinoshita ci mise due anni a costruire tre specchi curvi multistrato tungsteno-carbonio per luce da 11 nanometri, e con quelli stampò linee da quattro micron. Nel 1986 presentò i risultati alla Società giapponese di fisica applicata. La platea non gli credette.
"Le persone sembravano restie a credere che avessimo davvero prodotto un'immagine piegando i raggi X, e tendevano a considerare tutta la faccenda una gran storia di pesci."
Lo scetticismo, va detto, era in parte fondato. Quella luce non la produce nulla in natura sulla Terra — la sorgente naturale più vicina è il Sole. Bisognava letteralmente costruire un sole artificiale in laboratorio. All'epoca la si otteneva da un sincrotrone: un acceleratore grande come un campo da calcio, capace di alimentare un'intera fabbrica ma con un difetto fatale — se si spegne la luce, si spegne la fabbrica.
Specchi lisci quanto 2,3 atomi
C'era un secondo problema, ancora più severo. Se lasciate cadere un pallone da calcio su un selciato, rimbalza dritto; una pallina di gomma schizza di lato. La differenza è il rapporto tra le dimensioni dell'oggetto e la rugosità della superficie. Per la luce vale lo stesso: se le asperità sono grandi rispetto alla lunghezza d'onda, i fotoni si disperdono a caso.
Uno specchio domestico ha asperità medie alte quanto 4.000 atomi di silicio. Uno specchio per EUV, che lavora con luce cento volte più corta e non può permettersi di perdere fotoni per diffusione, deve essere atomicamente liscio: l'asperità media può valere al massimo 2,3 atomi di silicio. Se uno di quegli specchi fosse grande quanto la Germania, la montagna più alta sarebbe un millimetro.
L'aiuto arrivò da un posto inatteso. A settanta chilometri da San Francisco, il Lawrence Livermore National Lab era nato per una sola ragione — le armi nucleari — e nel corso della sua storia ha progettato oltre dieci testate a fusione. Le reazioni di fusione emettono grandi quantità di raggi X che nessuno era mai riuscito a catturare e analizzare: gli specchi multistrato erano la prima occasione. Uno degli scienziati incaricati era Andrew Hawryluk.
Alla vigilia della chiusura natalizia del 1987, un professore della Cornell in visita gli fece la domanda che gli cambiò la carriera: "Ci puoi fare qualcosa di utile, con questa roba?". Hawryluk passò i dieci giorni successivi a scrivere un white paper che applicava gli specchi multistrato alla litografia. Cinque mesi dopo lo presentò a una conferenza.
"Fu estremamente negativa. È stato il punto più basso della mia carriera. Sono stato letteralmente fischiato via dal palco. Ogni singola persona che ammiravo in quel campo si è messa in fila al microfono per spiegarmi perché non avrebbe funzionato e quanto fosse stupida l'idea."
Tre giorni dopo ricevette una telefonata da Bill Brinkman dei Bell Labs — vicepresidente esecutivo di AT&T — che lo invitava nel New Jersey a rifare quel talk.
Da progetto militare a consorzio industriale
Il tempismo era perfetto. Dopo trent'anni di investimenti federali nei laboratori nazionali per mantenere il vantaggio tecnologico durante la Guerra Fredda, alla fine degli anni Ottanta la tensione si allentava e quei laboratori erano seduti su una montagna di ricerca dal potenziale commerciale. Il governo incoraggiò le partnership con le aziende americane, mettendo anche il capitale di avviamento. Nel 1993 si tenne in Giappone, ai piedi del Fuji, la prima conferenza internazionale sul tema, e la tecnologia prese il nome con cui la conosciamo: extreme ultraviolet lithography, EUV.
Nel 1996 Washington tagliò i fondi. Per l'industria dei chip fu un allarme rosso: le stime dicevano che i 193 nanometri sarebbero rimasti indietro rispetto alla legge di Moore entro il 2005, e alternative non ce n'erano. Così Intel, Motorola, AMD e altre misero insieme 250 milioni di dollari — il più grande investimento privato mai fatto in un progetto di ricerca del Dipartimento dell'Energia.
Nel 2000 arrivò il prototipo: l'Engineering Test Stand. Produceva 9,8 watt di luce a 13,4 nanometri, riflessa da otto specchi fino al wafer, e stampava strutture da 70 nanometri. Funzionava. Ma stampava dieci wafer all'ora, e per essere economicamente sensata la macchina doveva arrivare a centinaia, ventiquattro ore al giorno, tutto l'anno.
Il motivo della lentezza è aritmetica pura. Nell'EUV non esistono maschere trasparenti — assorbirebbero tutto — quindi anche il reticolo è uno specchio. Ogni riflessione conserva circa il 70% della luce, che è quasi il massimo teorico; ma dopo nove rimbalzi resta il 4%: su cento fotoni, quattro arrivano al wafer. Ridurre il numero di specchi non è un'opzione oltre un certo punto, perché servono superfici a sufficienza per correggere le aberrazioni ottiche. I sistemi odierni ne usano sei — e anche così, contando il reticolo, sopravvive circa l'8% della luce.
Conclusione: bisognava aumentare la potenza della sorgente di almeno dieci volte, fino a 100 watt. A quel punto le aziende americane hanno abbandonato il campo, una dopo l'altra. È rimasta ASML, nata come costola di Philips negli anni Ottanta con poco più di un capannone e uno stepper malfunzionante, insieme al partner tedesco Zeiss: agli olandesi la sorgente, ai tedeschi l'ottica.
Stagno, non xeno
Prima decisione: la lunghezza d'onda. Non si sceglie in astratto — serve la combinazione di una sorgente che emetta lì e di specchi che riflettano lì. Gli specchi di Underwood e Barbee a 4 nanometri arrivavano al 20% di riflettività: dopo sei specchi e il reticolo sarebbe rimasto lo 0,00128% della luce, cioè nulla. Il molibdeno-berillio prometteva l'80% a 11 nanometri, ma il berillio è estremamente tossico e difficile da maneggiare. Vinse il silicio-molibdeno, con un massimo teorico del 70% intorno ai 13,5 nanometri.
Seconda decisione: come costruire il sole. Scartato il sincrotrone, restavano due modi per generare gli ioni la cui ricombinazione emette il fotone giusto. Il primo, il discharge-produced plasma, vaporizza un metallo e lo ionizza con un campo elettrico: semplice, e infatti fu il primo tentativo di ASML. Arrivò rapidamente a pochi watt e lì si fermò per anni. "Volevamo 100 watt e abbiamo faticato all'infinito. Non riuscivamo a scalarlo."
Il secondo è il plasma prodotto da laser (LPP): un laser potentissimo colpisce un bersaglio e lo trasforma in un plasma a oltre 220.000 kelvin, in cui gli atomi perdono fino a quattordici elettroni. L'Engineering Test Stand usava un laser da 1.700 watt su un getto di xeno, ma l'efficienza di conversione era penosa — 0,5% — perché lo xeno emette molto più a 11 nanometri che a 13, e gli atomi neutri rimasti riassorbono la poca luce utile.
Lo stagno, invece, ha il picco di emissione proprio a 13,5 nanometri, con un'efficienza di conversione da cinque a dieci volte superiore. Anche i suoi atomi neutri riassorbono l'EUV, però: da qui l'idea apparentemente assurda di colpire una singola gocciolina alla volta. Migliaia al secondo. Tutte identiche.
Cinquantamila gocce al secondo
Lo stagno purissimo viene fuso e spinto attraverso un ugello microscopico da azoto ad alta pressione; l'ugello vibra ad alta frequenza e spezza il getto in goccioline. All'uscita sono irregolari per dimensione, forma, velocità e distanza: il processo è caotico. Poi, lungo il tragitto verso il punto in cui incontreranno il laser, quelle gocce irregolari si fondono tra loro fino a diventare una fila perfettamente regolare, equidistante, alla stessa velocità.
"È esattamente questo. Come prendi un lungo getto di stagno che vorrebbe rompersi in mille gocce irregolari e gli imponi di collassare in una singola goccia, e poi di nuovo, e di nuovo?"
Le variabili su cui giocare sono due: la pressione di spinta e la frequenza dell'ugello. Padroneggiare quella modulazione è il vero segreto industriale della sorgente.
Poi c'è il problema dei detriti. A trenta centimetri dall'esplosione c'è lo specchio collettore di Zeiss, atomicamente liscio e costosissimo, e la macchina deve funzionare per un anno intero mentre le passano attraverso litri di stagno. Un solo nanometro di stagno depositato sul collettore lo manda fuori servizio. La soluzione è riempire la camera di idrogeno a bassa pressione: rallenta e raffredda le particelle, e ciò che arriva comunque allo specchio viene strappato via sotto forma di stannano, un gas. La macchina si pulisce mentre lavora.
Restava da capire quanto idrogeno. Troppo poco e gli specchi si sporcano; troppo e assorbe l'EUV e surriscalda il sistema. Per calcolare l'energia depositata nel gas gli ingegneri hanno comprato una telecamera ultraveloce e hanno scoperto che dopo ogni evento di plasma si propaga un'onda d'urto sferica, estremamente ripetibile. La formula che la descrive esattamente è quella di Taylor-von Neumann-Sedov, nata per le esplosioni puntiformi: dai test nucleari alle supernove.
"È fantastico vedere queste minuscole supernove che avvengono nel nostro recipiente cinquantamila volte al secondo."
Il calcolo diede il numero: l'idrogeno va spazzato via a circa 360 chilometri orari, più di un uragano di categoria 5.
La scommessa: raddoppiare prima di aver vinto
Nel 2013 ASML era a 50 watt, con 50.000 gocce al secondo. Ma più potenza significa più calore, e il calore sposta impercettibilmente gli specchi, disallineando la luce e quindi gli strati del chip. Zeiss rispose costruendo un sistema nervoso dentro l'ottica: sensori guidati da robot che misurano continuamente posizione e angolo di ogni specchio con precisione picoradiante.
"Metto un piccolo laser sul bordo di questo specchio. Poi andiamo sulla Luna e ci mettiamo una monetina. Con la precisione con cui controllo lo specchio, posso decidere se puntare a questo lato della monetina o a quest'altro."
Nel frattempo la sorgente restava il problema: le gocce erano troppo dense, e gran parte dell'EUV veniva riassorbita prima di raggiungere il collettore. "Non abbastanza luce, troppi detriti."
È il momento in cui ASML fa la cosa meno ragionevole di tutta la storia: capisce che tra dieci anni servirà una generazione successiva di macchine, con un sistema ottico più grande, e decide di finanziarla prima ancora di aver fatto funzionare quella attuale.
"Ho cominciato a lavorarci nel 2012. A quel tempo l'EUV non funzionava, e c'era questo pazzo idiota che lavorava sulla generazione successiva quando non riuscivamo nemmeno a produrre la luce EUV."
Per pagare tutto questo, ASML si è rivolta a chi aveva più bisogno della tecnologia: "Volete questa tecnologia per la prossima generazione di chip? Allora dovete permetterci di investire, investendo in noi." Intel mise circa 4,1 miliardi di dollari; Samsung e TSMC altri 1,3 miliardi complessivi. Nel frattempo, senza un prodotto da mostrare, la pazienza dei clienti si esauriva: "Venivamo crocifissi a ogni conferenza, per le promesse dell'anno prima che non riuscivamo a mantenere."
Il pancake
La svolta tecnica arriva da un'idea semplice: invece di colpire la goccia una volta, colpirla due. Un primo impulso la appiattisce in una forma a frittella; solo dopo arriva l'impulso principale, più potente, che vaporizza il pancake e lo trasforma in plasma. La superficie esposta al laser aumenta, ma senza aggiungere detriti né atomi neutri, perché stavolta lo stagno evapora tutto insieme.
Nel 2014 ASML tocca finalmente i 100 watt. Ma nel frattempo i progressi del multi-patterning a 193 nanometri hanno spostato l'asticella: perché l'EUV abbia senso adesso servono 200 watt e 125 wafer all'ora. "Nessuno ti aspetta. Trovano altre soluzioni. Era un obiettivo mobile."
Sincronizzare il laser sulle gocce è un problema a sé:
"L'analogia è una pallina da golf che devi mandare in buca a duecento metri. Non sul green: in buca, ogni volta. E le gocce viaggiano dentro un vortice di idrogeno — è come tirare palline da golf dentro un tornado."
La soluzione sono tende laser che rilevano il passaggio di ogni goccia dai fotoni diffusi, dicendo quando e dove si trova — e quindi quando sparare, tenendo conto anche del tempo di volo dell'impulso.
Nel 2015 il consiglio di amministrazione viene convocato in Corea dai clienti: o mostrate i 200 watt, o è finita.
"Quando sono saliti sull'aereo, l'esperimento era ancora in corso. Quando sono scesi dall'aereo, avevano il primo risultato a 200 watt. Ci siamo andati così vicini."
Mancava un ultimo dettaglio: i fotoni ad alta energia e gli ioni di idrogeno deterioravano comunque il rivestimento del collettore, che andava ripulito ogni dieci ore. Finché un ingegnere notò che ogni volta che aprivano la macchina gli specchi sembravano più puliti. Il colpevole era l'ossigeno che entrava dall'esterno. Aggiungendone una quantità minima e calibrata al vuoto, il collettore resta pulito molto più a lungo. Con quella correzione la macchina diventa commercialmente sostenibile: dal 2016 cominciano ad arrivare gli ordini.
Dentro la macchina di oggi
Le prime macchine commerciali hanno un'apertura numerica di 0,33 — le low NA, tuttora in produzione — e stampano linee da 13 nanometri. La generazione avviata nel 2012 è la High NA, con NA 0,55, la macchina che ha stampato le prime linee da otto nanometri della storia. Costa, per usare le parole di ASML, "oltre 350 milioni di euro".
Viene assemblata in camere bianche in cui, per metro cubo, non possono esserci più di dieci particelle da 0,1 micron — e nulla di più grande. Per confronto: una sala operatoria ospedaliera ne ammette fino a diecimila.
Il laser di potenza è un CO₂: parte da pochi watt, attraversa quattro amplificatori successivi e arriva a 20.000 watt, quattro volte più potente dei laser che tagliano l'acciaio. Le macchine attuali usano tre impulsi anziché due — il primo appiattisce, il secondo rarefà ulteriormente il pancake in un gas a bassa densità, il terzo ionizza tutto — ottenendo più EUV a parità di potenza del laser. Le sorgenti in spedizione oggi stanno intorno ai 500 watt con 60.000 gocce al secondo; in laboratorio le 100.000 al secondo sono già state dimostrate.
Dopo il collettore, la luce passa nell'illuminatore, colpisce il reticolo e finisce nella scatola dell'ottica di proiezione, che rimpicciolisce il disegno otto volte in verticale e quattro in orizzontale. Gli specchi della High NA sono ancora più lisci: se quelli della low NA erano la Germania con un rilievo di un millimetro, questi sono grandi quanto il pianeta e la montagna più alta è spessa quanto una carta da gioco.
Per stampare circa 185 wafer all'ora, il reticolo sfreccia avanti e indietro con accelerazioni superiori a 20 G, oltre cinque volte quelle di una monoposto di Formula 1. E mentre succede tutto questo, il disallineamento massimo ammesso tra due strati sovrapposti — l'overlay — è di un nanometro: cinque atomi di silicio.
"Come system engineer facciamo un budget. Diciamo: ecco, hai un nanometro. E poi lo dividiamo in frazioni sempre più piccole." — "Un nanometro a testa?" — "No. Un nanometro in totale."
Alla fine la macchina viene smontata per essere spedita. Cinquemila fornitori per centomila componenti, 3.000 cavi, 40.000 bulloni e due chilometri di tubazioni. Una High NA parte per il cliente in 250 container, distribuiti su 25 camion e sette Boeing 747.
L'elogio degli irragionevoli
Il primo sistema EUV installato presso un cliente risale al 2010, in Corea. Il primo telefono con chip fatti così è del 2019. In mezzo, nove anni di ostacoli — e prima ancora, ventiquattro anni dalle immagini di Kinoshita.
C'è un aneddoto che vale l'intera vicenda. Intorno al 2012, mentre la potenza della sorgente non saliva, Kinoshita in visita ad ASML viene portato a cena in un paesino vicino; di fronte al ristorante c'è una cappella dedicata alla Madonna. "La scienza è arrivata al suo limite, proviamo con l'intervento divino." Kinoshita accende tre candele, una per ciascuno dei tre fornitori che all'epoca inseguivano l'EUV. "E guarda un po', ho i dati per dimostrarlo: c'è una correlazione fortissima tra l'accensione delle candele e la potenza che sale. Non è un rapporto causale, ma la correlazione è forte."
La verità è che chi quarant'anni fa diceva che era impossibile aveva ottime ragioni. Costruire un sole artificiale in laboratorio, levigare specchi a due atomi di rugosità, sovrapporre strati con la precisione di cinque atomi mentre pezzi di macchina accelerano a 20 G: la posizione ragionevole era considerarlo irrealizzabile ed elencarne i motivi, uno per uno. Ed è esattamente quello che quasi tutti hanno fatto, ai congressi, per trent'anni.
"L'uomo ragionevole si adatta al mondo. Quello irragionevole insiste nel tentare di adattare il mondo a sé. Quindi ogni progresso dipende dall'uomo irragionevole." — George Bernard Shaw
Se Kinoshita e Hawryluk fossero stati ragionevoli, oggi non avremmo niente di tutto questo. Nessun chip sotto i 10 nanometri, nessuna GPU per addestrare modelli, probabilmente nessuna delle cose che diamo per scontate. Vale la pena ricordarlo la prossima volta che un'idea sembra ovviamente impossibile: quasi tutta la tecnologia che usiamo ogni giorno sarebbe sembrata irragionevole anche solo duecento anni fa.
Questo articolo è basato sul documentario "The World's Most Important Machine" del canale Veritasium, che ha ottenuto accesso diretto alle camere bianche di ASML e alle testimonianze di Hiroo Kinoshita, Andrew Hawryluk, Jos Benschop, Jan van Schoot e degli ingegneri della sorgente EUV. Le citazioni riportate sono traduzioni dalle interviste del video.