18 августа 2020-го года американский эсминец USS Mustin вошел в Тайваньский пролив — узкую полосу воды между Китаем и Тайванем.

Mustin — это боевой эсминец ВМС США, оснащённый крылатыми ракетами, системами ПВО и средствами противолодочной борьбы. А Тайваньский пролив — одно из самых напряжённых мест на планете.

В тот же период США усиливали технологическое давление на Китай: вводили ограничения против Huawei и перекрывали ей доступ к передовым чипам.

2 августа 2022 года самолёт с Нэнси Пелоси спикером Палаты представителей США приземлился в Тайбэе.

Китай заранее предупреждал, что считает этот визит провокацией. После него вокруг Тайваня начались крупнейшие на тот момент китайские военные учения: корабли, самолёты, ракетные пуски и зоны манёвров, часть которых оказалась рядом с ключевыми морскими маршрутами острова.

Так две мировые сверхдержавы побряцали оружием, чтобы показать, насколько далеко они готовы зайти в борьбе за Тайвань — остров, где находятся фабрики TSMC. TSMC или Taiwan Semiconductor Manufacturing Company — Тайваньская фабрика полупроводников.

Сложно найти другой такой объект во вселенной, разрушение или захват которого будет иметь настолько катастрофический эффект. TSMC производит большую часть самых производительных передовых микросхем. Некоторыми технологиями, которые есть у неё, не владеет никто другой в мире.
Большая часть процессоров флагманских телефонов, компьютеров, видеокарт можно сделать только там.

Ходят легенды о том, что станки, установленные на фабрике, заминированы и будут уничтожены при малейшей угрозе попадания в чужие руки.
И если кнопка самоуничтожения в устройстве и правда звучит как байка, то возможность удалённого отключения, скорее, необходимость.

Хотя.. Есть и ещё одна компания. Если что-то произойдёт с ней, последствия будут ещё более катастрофическими.
ASML.
Это единственная компания в мире, которая производит серийный станки для массового производства микрочипов для телефонов, компьютеров и видеокарт.
Не будет её — и наш мир изменится до неузнаваемости.

Её уникальность и колоссальное влияние на мир в том, что за стенками её станков творятся чудеса.

Там зажигают звёзды. 50 000 раз в секунду. Там в вакууме летят микроскопические капельки олова, по каждой из которых стреляют лазером и выбивают излучение в нанометровом диапазоне.
Оно затем отражается от самых гладких зеркал во Вселенной, чтобы рисовать наноскопические узоры на кристалле.
Станки стоят в сверхчистых помещениях, где на кубический метр может быть только одна пылинка, а вакуум в станке такой, что давление в миллиард раз меньше атмосферного.

Мы научили песок думать, нарисовав на нём светом волшебные руны и пропустив через него молнию.

---
2.5 мин
----

Что нужно, чтобы сделать микросхему?
Не так уж и много на самом деле.

Понадобится вот что
Сначала взять много песка.
Потом химическими процессами получить из него огромную колбаску чистого монокристалла кремния.
Колбаску нарезать на пластинки толщиной меньше 1мм, и диаметром 30см.
Нарисовать на ней микросхемы
Порезать на кусочки и воаля.

В действительности же всё чуть сложнее, чем на самом деле.

Сначала мы находим много кварцита — пляжный песок всё-таки не подойдёт.
Его мы переплавляем, подвергаем многократной химической и физической обработке, получаем чистый кремний и наливаем в специальную гигантскую кастрюлю.

В неё же помещаем затравку — готовый маленький кристаллик кремния, вокруг которого начинает нарастать кристалл. Да-да-да, ровно как наши домашние эксперименты с выращиванием кристаллов из соли, сахара или медного купороса.
По мере роста мы понемногу вытаскиваем из кастрюли толстую колбаску готового монокристалла, а снизу продолжает нарастать ещё.

Через дня 3 мы получаем булю весом килограммов 100 и длиной 1-1.5 метра
Это реально монокристалл, где все атомы ориентированы определённым образом — именно то, что нужно, чтобы все транзисторы были как на подбор.

Дальше мы её нарезаем на ломтики — вафельки толщиной меньше 1мм и диаметром 30см.

Теперь у нас есть пустая пластинка — как чистый белый тетрадный лист

Дальше помещаем её в фотолитографический станок с одной стороны, а с другой кладём заранее подготовленную фотомаску — это рисунок будущего процессора.

И вот мы берём и светом печатаем на пластинке рисунок по шаблону.

Представьте себе, как вы через листочек с рисунком смотрите на солнце. Вы хорошо видите, что на нём изображено. И в солнечный день этот рисунок отобразится на белой стене.

Поверхность кристалла покрыта специальным веществом, восприимчивым к свету.
Тёмные места затвердевают, а светлые размягчаются. Или наоборот. Мягкие области затем удаляются, твёрдые остаются — так этот рисунок на кристалле закрепляется и сохраняется.

Следующим шагом одни области мы превращаем в транзисторы, другие — в резисторы, третьи — в конденсаторы, а между ними рисуем соединительные проводочки.

Потом мы берём новую фотомаску для второго слоя, потом для третьего и так далее.

В конце концов пластинку разрезают на отдельные микросхемки, выбрасывают нерабочие, и партия готова.

Всё просто,

если забыть о том, что размеры мельчайших деталей рисунка — десятки нанометров, их нужно несколько миллиардов, свет, которым нужно засвечивать пластинки, не существует на земле, и он поглощается любыми известными материалами, потому что он ультратонкий,

а производить такие чипы нужно тысячами в день.

---
7 мин
---

С чего всё началось? С планарного процесса Жана Эрни в 59? С интегральных схем Джека Килби и Роберта Нойса в 58м? С первых экспериментов Джея Латропа в 54-м? С изобретения транзистора Бардином, Браттейном и Шокли в 47? С первого практического использования полупроводников Пикардом в начале 20-го века? С фотолитографии, запатентованной Альфонс Пуатевеном в 1855? С фотографии, продемонстрированной Нисефором Ньепсом в 1826-м? Возможно, с литографии, впервые применённой в 1796-м году Алоизом Зенефельдером?

Вначале было слово.
И слово это было Библия.
В середине 15-го века Иоганн Гутенберг создал эффективную систему копирования книг.
Металлические литеры, набор текста, стойкая краска и печатный пресс. Это сделало изготовление книг быстрым, сравнительно дешёвым, а все экземпляры получались одинаковыми.
Об этом мы ещё расскажем. Но для нас важно, что Гутенберг создал систему тиражирования, фактически уничтожив профессию переписчиков.
Это была так называемая высокая печать: краска наносилась на литеру, выступающую над поверхностью формы. И потом она механически отпечатывалась на бумаге.
Гутенберг изменил мир.

---
9 мин
---

Теперь мы перемещаемся в 1796-й год.
Другой Иоганн — Алоиз Иоганн Зенефельдер — небогатый немецкий драматург хотел тиражировать собственные пьесы.
Да, к его услугам были типографии, разросшиеся как грибы после Гутенберга. Но они работали за деньги. И деньги совсем немалые. А вот деньги к услугам Зенефельдера совсем не были.
Зато он был тем ещё затейником и вместе с тем наблюдательным.
Например, по легенде, он на плоском известняке записал текст жирными чернилами и заметил, что они отталкивают воду, в то время, как чистая часть камня намокала.
Если же теперь на такой камень нанести краску, то она закрепляется на жирной поверхности, а на остальной вода отталкивает краску.

Получается, что вместо мучительно долгого и сложного вырезания объёмных букв на формах, можно просто их написать рукой. И тиражировать: смачиваешь водой, наносишь краску, прикладываешь лист, на котором остаётся оттиск.

Так появилось письмо на камне — или литография.
Зенефельдер изменил мир.

---
9 мин
---

И стало можно воспроизводить не только текст, но и произвольное изображение. Его достаточно нарисовать жирными чернилами.

Или сфотографировать.

В 20-е годы 19-го века Жозеф Нисефор Ньепс экспериментировал с литографией. Ему нравилась идея создания копий картин, но он не был художником — нанести рисунок на пластину для него было чем-то невозможным.
Поэтому в своей голове он носил идею, что свет сам должен суметь перенести изображение на пластину. Ньепс экспериментировал со светочувствительными веществами.
Такими оказались серебро, асфальт и битум. Самым подходящим на тот момент оказался битум. В местах, где на него попадало больше света, он сильнее затвердевал и хуже впоследствии смывался.

В 1826-м году он создал знаменитую работу "Вид из окна в Ле-Гра" — это первое изображение реальной сцены, полученное камерой и устойчивое к последующему свету.

Вид из окна в Ле-Гра так и остался оловянной пластиной с сохранившимся битумом и теперь хранится в коллекции Центра Гарри Рэнсома Техасского университета в Остине.

Но для нашей истории интереснее, что Ньепс сделал годом ранее.
Ньепс искал не только способ запечатлеть реальность — он хотел сделать так, чтобы уже существующую картину можно было скопировать, воплотить на бумаге с помощью света, не перерисовывая её.
Так в 1825-м году он создал копию гравюры с изображением человека, ведущего лошадь.
Это такая же оловянная пластинка с битумом, где битум легко смывается с тёмных мест.
После проявления, то есть снятия незакрепившегося битума на пластинку наносится кислота — и она вытравляет в олове ямки, и не трогает места с битумом.
Потом на протравленную пластинку наносят краску, которая затекает в ямки. Лишнюю краску убирают, и под большим давлением прикладывают лист бумаги, на которой остаётся оттиск.

Ньепс назвал это гелиографией — солнечным рисунком.
Гелиография — это один из видов более общего процесса фотографии.
Ньепс изменил мир.

---
11 мин
---

И вот к середине 19-го века у нас есть две технологии:
- Литография — плоская химическая печать, но требующая нанесения изображения на пластину вручную, зато легко тиражируемая.
- Фотография — позволяет получить изображение светом на светочувствительном материале
Как бы нам теперь совместить их, чтобы светом рисовать, а потом легко и быстро тиражировать.

И только тут на сцену выходит настоящий инженер — тоже француз — Альфонс Луи Пуатевен.
Он экспериментировал с бихромированным желатином — веществом очень чувствительным к свету. Экспонирование, то есть засветка происходила за минуты — про сравнению с часами, необходимыми битуму, у Ньепса.
По сути благодаря его изобретению книги и газеты стало возможным иллюстрировать фотоснимками.

Точно так же, как битум, бихромированный желатин — это фоторезист, то есть такое вещество, которое меняет свои химические свойства под действием света. Грубо говоря, твердеет или размягчается. Мягкая часть смывается, а твёрдая впоследствии защищает основание, то есть сопротивляется внешнему воздействию — отсюда и фото, и резист.

Но главным отличием технологии Пуатевена от технологии Ньепса было то, что поверхность можно был не вытравливать — сохранившийся слой желатина после засветки и проявки мог сам стать печатающей поверхностью — краска к нему прилипала, а к чистым поверхностям — нет.

Технология получалась "плоской". И её назвали фотолитографией — светом рисуем по камню.

Казалось бы — какая разница — и там и там мы получаем эталонный экземпляр, с которого снимаются копии в произвольном количестве.
Значение это имеет как для сложности процесса, так и для стоимости производства копий.

Но для нашей истории это важно как раз потому, что технология плоская, она не требует вытравливать никаких рельефов.

В 1855-м году Пуатевен запатентовал свою фотолитографию и изменил мир.

---
13 мин
---

А через 100 лет в 1955 году два инженера военной лаборатории Diamond Ordnance Fuze Laboratories столкнулись с тем, что они не могут сделать достаточно компактные взрыватели для снарядов.
И они.. перевернули микроскоп.

Вы смотрели когда-нибудь в бинокль? Он всё увеличивает. А пробовали посмотреть в обратную сторону? Тогда он уменьшает. Ровно во столько же раз, во сколько при нормальном использовании увеличивает.

Поэтому можно нарисовать большой шаблон, а потом, уменьшив его в несколько раз, сделать более мелкий рисунок на кристалле кремния.

Так! Стоп!
Зачем нам рисунок на кремнии, что с него толку? Причём тут фотолитография Пуатевена? И в конце концов зачем в бомбе маленькие полупроводники — там же куча места.

Ну давайте в обратном порядке.
В военных снарядах сначала использовались миниатюрные вакуумные лампы — для радиотракта и для логики. Они были очень хрупкими и потребляли много энергии.
Представьте, что при выстреле снаряд испытывает ускорение в десятки тысяч g. Там оторвётся всё, что плохо припаяно. И в лампе есть чему отрываться.
И места для аккумуляторов под колпаком головной части снаряда на самом деле не так уж много. А лампы кушают будь здоров!
Поэтому переход к полупроводникам вполне логичен.
При этом первые транзисторы и другие детали по размерам были не особо меньше ламп. И напаивались на печатные платы.

Чем меньше транзистор, тем больше их можно разместить, тем меньше они потребляют энергии, тем более устойчивы к тряске и ускорениям, тем на более высоких частотах они могут работать, тем более они одинаковы.
А их функция в снарядах между прочим была такая: создать радиоволну, отправить вперёд, получить обратно и обнаружить цель. Ну, то есть, радар.

Прежде транзисторы делали механически.
На готовую пластину наносили резист — специальное вещество, которое защищает определённую часть поверхности от вытравливания.

Просто наносили его или кисточкой, или иголкой или через специальную механическую маску — грубо говоря пластинку с дырочкой прикладывали к кристаллу и мазали лаком или воском.
Размер транзисторов тогда был около миллиметра.

Что же сделали два военных инженера Джей Латроп и Джеймс Налл — они впервые применили фотолитографию для производства миниатюрных полупроводников.

То есть они убрали механические маски и ручное нанесение резиста. Они заменили обычный резист на фоторезист. И теперь могли получать более точную картинку, потому что не руками мазали что-то, а через трафарет засвечивали области на заранее подготовленном кристалле.

То есть делали ровно то же самое, что Пуатевен и Ньепс, только использовали значительно более подходящие вещества, обнаруженные за сто прошедших лет.
Оставалось только одно ограничение — размер трафарета. Его всё ещё также сложно было сделать достаточно маленькой, как и физическую маску прежде. Мы бы и рады делать транзисторы поменьше, но не можем — фотолитографическая маска слишком велика.
Просто нет таких инструментов и материалов, чтобы сделать рисунок размером в сотню микрометров.

Сделать картинку по трафарету больше — легко — достаточно источник света разместить ближе к трафарету. А вот меньше…

И тут ребятам на глаза попался микроскоп — обычный лабораторный микроскоп. Который в одну сторону увеличивает, а в другую уменьшает.

И что если после трафарета поставить микроскоп обратной стороной и посветить на трафарет?
Верно — где-то отпечатается его уменьшенная копия.

Таким образом сам трафарет — или как его называют — фотомаску — можно рисовать в обычном удобном масштабе, а рисунок на кристалле получать более маленького размера.

В итоге Латроп и Налл получили вот что:
Значительное уменьшение размера активной зоны транзистора. Она теперь составляла десятки микрометров.
Лёгкий, контролируемый процесс
Точный воспроизводимый результат
Все транзисторы выходили одинаковыми.

Латроп и Налл достигли своей цели, сделали миниатюрные взрыватели и.. изменили мир.

---
21 мин
---

Но это было производство лишь одного транзистора. К нему затем приваривали металлические контакты, упаковывали в индивидуальный корпус и монтировали на печатную плату.
Всё ещё трудоёмкая и ручная работа.
А ещё такой транзистор был как бы на столе. Его активная часть значительно возвышалась над подложкой. Потому что нужно было место для приваривания контактов, нужно было как-то уметь инструментами брать его и упаковывать в корпус. И назывался он меза-транзистор, от испанского Mesa — стол.

И следующим большим шагом стало изобретение интегральной схемы в 1958 и планарного процесса в 1959-м году, о которых мы рассказывали в эпизоде про первый микропроцессор.
С помощью фотолитографии научились печатать не единичный транзистор, а целую схему на одном единственном кристалле.

В этой части истории нам интересны три имени: Джек Килби, Жан Эрни и Роберт Нойс. После того, что они сотворили принципиальные процессы не менялись 30 лет

Ведь суть маски и фотолитографии в чём — по определённому трафарету нанести на фоторезист на кристалле рисунок будущего транзистора — буквально кружочек, квадратик. Затем с помощью химии удалить с поверхности незакреплённый фоторезист, то есть как бы открыть окошко. И в конце концов через это окошко налить кислоты, которая растворит ненужную часть кристалла и придаст транзистору нужную форму и нужные свойства.

«А ведь таких окошек можно открыть несколько за раз — и создать несколько транзисторов и вообще разные элементы» Так подумал в 1958 Джек Килби из Texas Instruments.
И за одно лето он это реализовал: напечатал на кристалле германия не отдельные транзисторы, а целиком схему: транзисторы, резисторы, конденсаторы.
А соединения между отдельными элементами он делал тонкими золотыми проводочками, висящими в воздухе - у этого даже было название Flying wires.

Он создал первую интегральную схему. Но использовал для этого германий. Это была фатальная ошибка. Ну как фатальная.. Нобелевку-то ему потом дали. Да и изобретателем интегральной схемы считают его. Но по факту будущего у германия для создания интегральных схем не было — работать с ним крайне неудобно.

Примерно в это же время в Fairchild Semiconductor Жан Эрни оптимизировал производство. Первые кремниевые транзисторы были реальной занозой в пальце. Их было сложно защитить от утечек. Поэтому качество всегда получалось разным.
Фотолитография в мезатранзисторах использовалась довольно топорно: показать какую область мы сохраняем, а какую вытравляем очень сильно, чтобы сделать основу.
При этом сам кремний и его p-, n- зоны оказывались открытыми всем ветрам и утечкам.

Эрни же придумал вот что: мы нагреем кремний в кислороде, на его поверхности образуется тонкий слой оксида кремния SiO2, который защитит кристалл от внешних воздействий.
Потом на этот слой мы нанесём фоторезист, экспонируем его, то есть посветим на него светом через трафарет, потом проявим — то есть удалим растворимую часть фоторезиста, а другие части останутся покрытыми.
И в конце концов определённой кислотой удалим слой оксида на открытых участках — тем самым откроем аккуратные окошки для того, чтобы формировать на кристалле то, что нам нужно.
И удаляем в конце концов оставшийся фоторезист.

И вот и всё — мы получили плоский высокотехнологичный транзистор с предсказуемыми характеристиками, потому что он защищён со всех сторон, а область p-n переходов очень точно определена с помощью оксида кремния и фотолитографии.
Это просто изящнейший подход. И это то, что принципиально отличает то, как Эрни использовал фотолитографию от того, как её использовали Латроп и Налл.
Последние использовали её, чтобы обозначит места, которые нужно вытравить до самого основания, оставив кристалл открытым всем ветрам и влаге. А первые аккуратно открывали неглубокие ровные окошки в тех местах, где нужно было что-то сформировать, а всё остальное было защищено оксидом.

И именно по этой же причине интегральные схемы Килби были обречены — оксида германия растворим водой, и не образуют защитную плёнку. Никакого предсказуемого качества.

И в конце концов в Fairchild это всё сошлось в руках Роберта Нойса в том же 59-м году.
В его изобретении сошлись две идеи: интегральной схемы и планарного процесса. И он добавил ещё металлические дорожки, а не летающие проводочки.
Всё в одном — создано на кристалле. И это был процесс, который позволял создавать полностью рабочий чип, готовый к масовому производству.

Для этого ему потребовалось использовать несколько трафаретов с разным рисунком на разных этапах, чтобы на каждом из них открывать свои окошки и превращать их в разные элементы схемы.
Через одни окошки вводили примеси в полупроводник для создания n- и p- областей в транзисторах, через другие — резисторы, через третьи — конденсаторы.

После каждого слоя поверхность снова покрывалась оксидом, чтобы защитить открытые окна в кристалле и начать новый слой.

А поверх всех слоёв создавали металлические дорожки для соединения элементов друг с другом.

Нойс не взял идею Килби, он работал одновременно с ним, и пришёл к более удачному решению, потому что выбрал кремний. С кремнием возможно делать многослойные структуры, где каждый слой отделён от других оксидом кремния. И каждый элемент защищён им же.

И отсюда мы улетаем в космос, потому что больше не нужно изготавливать отдельные детальки и потом собирать их на плате.

Всё устройство печатается на одном кристалле.

Джек Килби получил Нобелевскую премию в 2000-м году за участие в изобретении интегральной схемы.

Наверняка, Эрни и Нойсу тоже бы её дали, но они не дожили до этого момента.

---
25
---
Следующие 40 лет базовые принципы, лежащие в основе фотлитографии, не менялись: перевёрнутый микроскоп, фотомаска и фоторезиста.

От видимого света перешли в ультрафиолетовый диапазон, что позволило уменьшить размер транзисторов с десятков микрометров до сотен нанометров.
Появлялись всевозможные оптимизации, ухищрения, даже прорывы, которые позволяли всё больше и больше уплотнять поддерживать закон Мура, гласящий, что число транзисторов удваивается каждые полтора-два года.

Но все понимали, что у ультрафиолета есть предел — используемая длина волны — 193 нм, не позволяет создавать транзисторы меньшего размера.

Это как пытаться выкопать ямку шириной 5 сантиметров лопатой шириной 30 сантиметров.

На первый взгляд кажется, что это невозможно: инструмент слишком грубый. Но если правильно подобрать форму лопаты, угол, несколько раз пройти по краям и убрать лишнее, ямку сделать можно.

Так и тут, с помощью невероятных хитростей и усложнений с помощью 193нм волны научились рисовать 10нм структуры.

Но это сложно, дорого, долго и значительно увеличивает риски брака.

Поэтому самые прогрессивные компании, не дожидаясь пока теоретический предел станет фактическим, начали инвестировать в фотолитографические технологии следующего поколения — EUV или Extreme UltraViolet — с длиной волны 13.5 нм.
Для осознания масштаба, толщина волоса: 100 мкм, размер бактерии Кокки — 1мкм, коронавируса — 100нм, атома — около 0,1 нм

Вы готовы вложить львиную долю своих денег в разработку волшебной палочки? А в выведение породы Серебряного копытца? А ковра самолёта?

Примерно это делали в тот момент компании, которым нужно было производить всё более плотные процессоры.
Филлипс, Интел, TSMC, Samsung вкладывали, сначала сотни миллионов, а потом миллиарды долларов с 1990-х по 2010-е в компанию ASML, которая должна была создать то, что казалось абсолютно невозможным.
И когда всё получилось.. они стали платить по 200 миллионов долларов за каждый станок, закупаемый у этой самой ASML

А что там было такого невозможного?
Самое главное — естественного источника света с длиной волны 13.5 нм не существует на Земле. Свет природного источника — солнца — не доходит до поверхности — он поглощается кислородом и азотом в верхних слоях атмосферы. EUV, вместе с обычным ультрафиолетом и рентгеном накачивают их энергией, ионизирует и по факту создаёт нашу ионосферу.

Если в предыдущих станках можно было просто купить ультрафиолетовую лампу, то теперь нужно было разработать такой источник, причём невероятной мощности.

Таких способа существует несколько. Два самых перспективных: ускорители и плазма.
Ускорители элементарных частиц — генерируют синхротронное излучение. Но они занимают целые комнаты или даже, скорее, здания.
Другой вариант — создавать плазму и заставить её излучать экстремальный ультрафиолет.
Звучит как эпизод фантастического фильма, да? Так и есть.

ASML выбрала плазму. И для того, чтобы этого достичь они не придумали ничего проще, чем выпрыскивать в вакуум каплю олова размером 25 мкм.
И стрелять в неё высокомощным лазером. Дважды.

Сначала в каплю нужно попасть, чтобы придать ей нужную форму — диска.
Второй выстрел превращает каплю в плазму — это когда вещество становится раскалённым облачком ионов, потому в него вкачали столько энергии, что часть электронов оторвались от атома — и превратились в свободные электроны, а сам атом при этом стал положительными ионом.
И температура такого плазменного облачка около 300 000 градусов.
Станок создаёт 50 000 солнц в секунду.

Именно плазма олова при рекомбинациях электронов с ионами создаёт фотоны с длиной волны 13,5 нм.
Боже, я рассказываю это, а у меня мурашки по коже бегут.

То есть по сути, мы накачиваем энергией лазера атомы олова настолько, что они разогреваются, электроны скачут туда-сюда. И вот когда они скачут сюда, то есть падают обратно ближе к ядру, они начинают сами излучать новые фотоны.
Лазер — 10 микрометров, а EUV 13,5 нм.

Для понимания, точность лазера должна быть такой, чтобы попасть по теннисному мячику, находящемуся на орбите луны.

Теперь внимание. Это нужно делать .. Пятьдесят тысяч раз в секунду. Капельки должны вылететь из сопла 50 000 раз в секунду, то есть одна — каждые 20 мкс, а лазер должен успевать на них наводиться. На каждую. Дважды.

При этом олово не испаряется полностью. От его остатков нужно успевать избавляться, чтобы оно не загрязняло внутренности станка.

Такие лазеры для ASML делает единственная компания в мире — немецкая TRUMPF
Они 20% отдают в свет, а 80 в тепло. Чтобы снимать его, нужны очень быстрые и мощные системы охлаждения — и это отдельная инженерная история.

Систему генерации капель, синхронизации, саму камеру тоже делает единственная компания в мире — дочерняя Cymer, которую ASML в своё время выкупила, считая, что сможет управлять ей лучше.

Свет нам нужен не сам по себе, он должен, пройдя через фотомаску, засветить кристалл.
Но при этом он должен уменьшить изображение в несколько раз.
И тут новая незадача.
Свет с длиной волны в 13,5 нм настолько тонкий, что он не проходит сквозь вещество, а взаимодействует с электронами и ядрами атомов. EUV почти целиком поглощается любой линзой, то есть уже нельзя просто перевернуть микроскоп.
Нужны зеркала, которые будут фокусировать свет в более тонкие пучки.

Но таких зеркал не существовало на тот момент. И требования к ним тоже были абсолютно невыполнимыми. Чтобы достичь нужной точности печати на кристалле, луч должен отклоняться минимально. Условно, если светить из Москвы в Новосибирск, отклоенение должно быть меньше метра. А это требует просто беспрецедентной гладкости зеркал — меньше нанометра неровности при размере примерно 30см. Если такое зеркало увеличить до размеров планеты, то максимальная неровность может быть в пару миллиметров. Просто вообразите.

Но мы же помним, что любое вещество поглощает EUV-свет. Зеркало тоже. И химики пришлось найти такую комбинацию веществ, которая отражает около 65% — это десятки чередующихся слоёв молибдена и, снова привет, кремния. Но для этого толщина слоя должна быть буквально 3-4 нанометров.
Таких зеркал на пути от оловянной капельки до кристалла от 10 до 15 штук, а значит сигнал ослабевает примерно в 100 раз, то есть остаётся меньше 1% от изначального EUV-луча. И именно поэтому нам нужны 50 000 капелек в секунду, чтобы получить на выходе хотя бы 100 Вт. От розетки до кристалла КПД около одной сотой процента.

Такие зеркала производит единственная компания в мире — и она вам знакома — Carl Zeiss — она же делает оптику для телескопов и микроскопов, зеркала для рентгена и для синхротронов, разрабатывает объективы для фотоаппаратов и телефонов, бинокли, очки,. И даже для них такой заказ в 90-е казался невыполнимым бредом.

Ещё одна трудность — брак. Единственная крошечная частичка в вакууме, единственная неровность на зеркале, малейшая тряска от проезжающего мимо грузовика или даже грома — это отклонившийся луч — и вот несколько тысяч окошек для транзисторов оказались не на своём месте. Кристалл испорчен — он больше не выполняет свою функцию — просто негоден.
А есть ещё загрязнения, дефекты масок, материалов.

Количество удачных чипов относительного общего числа произведённых чипов называется выходом годных — сколько годных процессоров получилось.

Вакуум, стерильная чистота, сверхточные зеркала, специальные фундаменты и подушки для уменьшения тряски — то, что минимизирует брак и максимизирует выход годных.

Но полностью их исключить нельзя. На каждой вафле — кремниевой пластине, вырезанной из изначального монокристалла — почти всегда будут битые участки. Неизбежно.

Поэтому нельзя делать чип размером с пластину — он почти всегда будет бракованным.
На каждой пластине печатается сразу несколько десятков, а то и сотен чипов. Чем меньше размер чипа, тем большее их количество на пластине, тем меньший процент чипов испортят озорные лучи, тем выше выход годных.

Поэтому ещё одной сложностью становится точность позиционирования.
Сначала пластина разбивается на области, которые станут в будущем чипами. Затем печатается один слой по одной маске. Машина перемещает пластину и луч относительно друг друга, точно позиционируя области.
Затем фотомаска меняется, чтобы печатать второй слой, потом третий. Топовые чипы сегодня содержать десятки слоёв.
Машина должна очень точно позиционировать луч и пластину друг относительно друга, чтобы слои не сместились, иначе это тоже, конечно же, брак.
Такая машина, которая шаг за шагом печатает один чип за другим, называется степпер.
Как вы понимаете, работать она тоже должна с нанометровой точностью.

Станки EUV работают и днём и ночью. Если они остановятся надолго, то полностью потеряется экономический смысл такого производства.

А знаете ли вы, что модели видеокарт за 50 тысяч за 500 могут отличаться тем, сколько в них испорченных транзисторов?

Если при производстве какой-то чип был повреждён, то можно косячную область внутри него изолировать и отключить. Тогда производительность и функционального конечного чипа будет ниже, но его всё ещё можно использовать в более дешёвых моделях.
Поэтому, когда вы покупаете карту nvidia rtx 4070, то по сути у вас стоит бракованный чип от 4080 с отключенными блоками.

Ну и теперь подумайте, станки производятся единственной компанией в мире — ASML, которая находится в Голландии, а основные её потребители — это TSMC на Тайване, Samsung и SK Hynix в Корее и Micron и Intel в США.
Представьте логистику — как перевезти всё это сверхточное, сверхчувствительное оборудование через половину земного шара и собрать в самых сейсмоактивных зонах?

Станки ASML стоимостью в 300-400 миллионов перевозятся в нескольких самолётах, устанавливаются в специально подготовленных для этого местах. А пусконаладкой и дальнейшим обслуживанием занимаются совместно инженеры заказчика и несколько десятков штатных инженеров ASML.

Итого — TSMC — крупнейшая независимая фабрика в мире, которая может изготовить чип по вашему дизайну и при этом не дизайнит их сама, то есть не вступает в конкуренцию со своими клиентами, как это делает Samsung. И она производит 90% всех EUV-чипов в мире по технологии EUV.
ASML — единственная компания в мире, производящая качественные станки EUV.
В каждом — сотни тысяч деталей, которые производят в компаниях по всему миру. Часть из них единственные в своём роде. Хаменить их некем.

На наших с вами глаза свершилось чудо, которое не до каждого из нас дошло. Это инженерное чудо, это экономическое чудо это человеческое чудо. Чудом оно было в 90-е годы. Чудом оно остаётся и по сей день. Поверить в него сложно.

Весь мир сплотился, чтобы создать волшебную палочку, которая всё ещё кажется невозможной, даже когда её продукт лежит в кармане каждого из нас.