ASML का बड़ा खुलासा: 30 साल तक 'IMPOSSIBLE' मशीन ने कैसे बचाया TECH का भविष्य?

ये 'Impossible' मशीन क्या करती है?

इस machine का नाम है EUV Lithography machine, और इसे Netherlands की ASML नाम की company बनाती है। ये कोई मामूली machine नहीं है, इसकी कीमत $400 million है! ये दुनिया का सबसे complicated commercial product है जो इंसान ने बनाया है। ज़रा सोचो, अगर आपको एक ant के size का कर दिया जाए और आपको एक laser दी जाए जिससे metal butter की तरह पिघल जाए। अब आपके सामने molten tin की एक छोटी सी droplet 250 किलोमीटर प्रति घंटे की रफ्तार से निकले। आपका task है उस droplet को 20 microseconds में लगातार तीन बार hit करना। ये machine बिल्कुल ऐसा ही करती है! ये एक tiny tin droplet को लगातार तीन बार hit करती है, और हर droplet का temperature 220,000 Kelvin तक पहुंचा देती है। ये सूरज की surface से 40 गुना ज़्यादा गर्म है! और ये सिर्फ एक droplet नहीं, बल्कि हर second 50,000 droplets को hit करती है।

इस machine में ऐसे mirrors भी हैं जो शायद पूरे universe में सबसे smooth objects हैं। अगर आप इनमें से एक mirror को Earth के size का कर दें, तो उस पर सबसे बड़ा bump एक playing card से ज़्यादा मोटा नहीं होगा। और तो और, ये machine chip की एक layer को दूसरी layer के ऊपर इतनी precision से रखती है कि दोनों के बीच का फर्क सिर्फ पांच atoms से ज़्यादा नहीं होता। ये सब तब होता है जब machine के कुछ parts 20 Gs से ज़्यादा acceleration पर घूम रहे होते हैं। 30 सालों तक, लगभग सभी scientists को लगा कि ऐसी machine बनाना impossible है, लेकिन ASML ने इसे मुमकिन कर दिखाया।

Microchip आखिर बनते कैसे हैं?

Microchip बनाने के लिए सबसे पहले silicon dioxide (जो रेत में मिलता है) को ultra-pure silicon chunks में purify किया जाता है। फिर इसे एक special furnace में पिघलाया जाता है। इसके बाद, एक छोटा seed crystal इस पिघले हुए silicon में डाला जाता है। Silicon atoms crystal से जुड़ते जाते हैं और उसकी structure को बढ़ाते हैं। धीरे-धीरे इस seed crystal को घुमाते हुए ऊपर खींचा जाता है, जिससे एक बड़ा, single crystal silicon ingot बनता है।

फिर इस ingot को diamond wire saws से wafers में काटा जाता है – एक ingot से 5,000 wafers तक बन सकते हैं। हर wafer को carefully polish किया जाता है। इसके बाद, wafer पर photoresist नाम की एक light sensitive material की coating की जाती है। जब इस पर light पड़ती है, तो exposed areas कमज़ोर और ज़्यादा soluble हो जाते हैं। अगर आप एक patterned mask के ज़रिए light डालते हैं, तो आप coating के कुछ parts को selectively कमज़ोर कर सकते हैं। फिर wafer को एक basic हल से धोया जाता है ताकि exposed photoresist हट जाए और design imprint हो जाए।

अब इस pattern को physical structures में बदला जाता है। इसके लिए chemicals या plasma का इस्तेमाल करके uncovered silicon में etching की जाती है। फिर etched lines को भरने के लिए copper जैसे metal जमा किया जाता है। आखिर में, बचे हुए photoresist को धो दिया जाता है, और इस तरह chip की एक single layer तैयार हो जाती है। ये cycle हर chip layer के लिए repeat होती है, और एक chip में 10 से 100 layers तक हो सकती हैं। सबसे नीचे की layer transistors की होती है, जो सबसे complicated होती है। ऊपर की layers metal wires की होती हैं जो signals और power ले जाती हैं। आखिर में, पूरी wafer पर सैकड़ों chips होते हैं, जिन्हें अलग-अलग काट कर products में लगाया जाता है। इस पूरी प्रक्रिया में सबसे मुश्किल और ज़रूरी step वो है जहाँ light को mask से गुज़ार कर wafer पर डाला जाता है। इसे photolithography कहते हैं, क्योंकि यही step तय करता है कि आप features को कितना छोटा बना सकते हैं।

Photolithography की दिक्कतें और हल

पहले photolithography simple लगती थी: light openings से गुज़रती है और बाकी जगह block हो जाती है। लेकिन जब आप छोटे features print करने की कोशिश करते हैं, तो mask में कमियां light की wavelength के करीब आने लगते हैं, और इससे दिक्कतें शुरू हो जाती हैं। असल में, light जब mask के कमियां से गुज़रती है, तो वो bend होती है और waves फैल कर overlap करती हैं। इससे diffraction होता है, जहाँ waves आपस में cancel होकर dark spots बनाती हैं और मिलकर bright spots बनाती हैं।

ये diffraction एक inevitable चीज़ है। Scientists ने इसे fight करने के बजाय, इसका इस्तेमाल करना शुरू किया। उन्होंने slits को ऐसे design किया ताकि diffraction से वही pattern बने जो उन्हें wafer पर चाहिए। Features जितने छोटे होते हैं, zero और first orders के बीच का angle उतना ही बड़ा होता जाता है, इसलिए light को capture करने के लिए lens भी उतना ही बड़ा चाहिए होता है। Lens के size को numerical aperture (NA) से बताया जाता है। NA जितना बड़ा होगा, features उतने ही छोटे print होंगे। लेकिन lens system के size की एक limit है।

एक और चीज़ जो हम बदल सकते हैं, वो है light की wavelength। Red laser की wavelength लगभग 650 nanometers होती है, जबकि green laser की 532 nanometers। छोटी wavelength वाली light से आप उसी lens का इस्तेमाल करके छोटे patterns print कर सकते हैं। Rayleigh Equation इसी small feature size को determine करती है।

NA को एक limit तक ही बढ़ाया जा सकता है, इसलिए features को छोटा बनाने का एक ही तरीका बचा था: छोटी wavelengths का इस्तेमाल करना। 1990 के दशक के आखिर तक, industry ने 193 nanometer deep UV light का इस्तेमाल करना शुरू किया। 2015 तक, सबसे advanced chips इसी light से बनते थे। लेकिन उस point तक, scientists features को और छोटा नहीं बना पा रहे थे। Moore's Law एक दीवार से टकराने वाला था। एक radical change की ज़रूरत थी, जिस पर 30 सालों से काम चल रहा था।

1980 के दशक में, Japanese scientist Hiroo Kinoshita ने एक crazy idea दिया: क्यों न बहुत छोटी wavelengths, जैसे 10 nanometers की x-rays का इस्तेमाल किया जाए? Theory में, इससे बहुत छोटे features print किए जा सकते थे, लेकिन इसमें एक समस्या थी। X-rays atoms से electrons को बाहर निकाल सकती हैं, इसलिए ज़्यादातर materials इन्हें absorb कर लेते हैं। ये हवा में भी absorb हो जाती हैं। इसका मतलब था कि Kinoshita का setup vacuum में होना चाहिए था, और वो light को ध्यान करने के लिए lenses का इस्तेमाल भी नहीं कर सकते थे, क्योंकि lenses भी x-rays को absorb कर लेते। तो ऐसा लगा कि ये idea कभी काम नहीं करेगा।

लेकिन 1983 के आस-पास, Kinoshita को Jim Underwood और Troy Barbee का एक paper मिला। उन्होंने special mirrors पर काम किया था जो 4.48 nanometers की x-rays को reflect कर सकते थे। Kinoshita को इसमें potential दिखा। Curved mirrors light को lenses की तरह ध्यान कर सकते हैं। अगर वो अपनी wavelength के लिए ऐसे mirrors बना पाते, तो ये photolithography का एक और तरीका हो सकता था।

ये mirrors ऐसे काम करते हैं: जब light एक medium से दूसरे में जाती है, जैसे हवा से glass में, तो वो bend होती है या refract होती है। कुछ light गुज़र जाती है और कुछ reflect हो जाती है। कितनी light reflect होगी, ये angle, light की polarization, और सबसे ज़रूरी, दोनों media के refractive indices के बीच के फर्क पर depend करता है। जितना ज़्यादा फर्क होगा, उतनी ज़्यादा light reflect होगी। Underwood और Barbee ने इसी principle का इस्तेमाल किया। उन्होंने tungsten की एक super thin layer बनाई, जो एक nanometer से भी कम मोटी थी। X-rays इस layer से गुज़र सकती थीं बिना तुरंत absorb हुए। जब x-rays एक specific angle पर इस layer से टकराती थीं, तो tungsten 1% से भी कम reflect करता था। फिर उन्होंने layer thickness को carefully tune किया ताकि transmitted x-rays का path length उसकी wavelength का सिर्फ एक चौथाई हो। फिर उन्होंने carbon की एक और layer डाली, जिसका refractive index tungsten से ज़्यादा था। X-rays boundary से टकराईं और थोड़ी और reflect हुईं, लेकिन इस बार phase invert हो गया।

फिर उन्होंने यही trick 76 alternating layers के लिए किया, ताकि कुल मिलाकर वे ज़्यादा x-rays को reflect कर सकें। वे सिर्फ 6% light को reflect कर पाए, लेकिन ये एक proof of principle था कि x-rays को reflect किया जा सकता है। Kinoshita ने इसमें संभावनाएं देखीं। उन्होंने काम शुरू किया और दो साल बाद, उनकी team ने 11 nanometer light को reflect करने के लिए तीन tungsten-carbon curved multi-layer mirrors design और build किए। इससे उन्होंने चार microns या 4,000 nanometers मोटी lines print कर दिखाईं, जिससे ये साबित हुआ कि theory में x-ray lithography possible थी।

एक साल बाद, 1986 में, उन्होंने Japanese Society of Applied Physics में अपनी findings present कीं। लेकिन उन्हें horror हुआ, audience ने उन पर विश्वास करने से इनकार कर दिया। Kinoshita का कहना है: "दुर्भाग्य से, audience मेरी बात पर बहुत skeptical थी।" वो बाद में बोले, "लोगों को विश्वास नहीं हुआ कि हमने x-rays को bend करके एक image बनाई है, और उन्होंने इसे एक बड़ी 'fish story' मान लिया।" किसी को विश्वास नहीं हुआ कि ये एक viable way forward है। इसकी वजह ये भी थी कि x-ray light Earth पर naturally produce नहीं होती। Scientists, जिनमें Kinoshita भी शामिल थे, particle accelerator या synchrotron का इस्तेमाल करके x-ray light produce करते थे। ये मशीनें soccer field जितनी बड़ी होती थीं और पूरी fab को fuel कर सकती थीं, लेकिन अगर light चली जाती, तो पूरी fab बंद हो जाती।

उम्मीद की किरण: Lawrence Livermore Lab और ASML

Pacific के पार, San Francisco से लगभग 70 किलोमीटर पूर्व में Lawrence Livermore National Lab था। ये Cold War के दौरान US government द्वारा heavily funded lab था, जिसका एक ही मकसद था: nuclear weapons। इस lab की स्थापना Cyclotron के inventor Ernest Lawrence और hydrogen bomb के father Edward Teller ने की थी। उन्होंने 10 से ज़्यादा fusion-type nuclear warheads design किए थे। उनके research का एक हिस्सा nuclear fusion reactions के अंदर क्या होता है, इस पर ध्यान था। Fusion reactions से बहुत ज़्यादा x-ray light निकलती है, जिसे वे कभी capture और analyze नहीं कर पाए थे। लेकिन अब, उन special multilayer mirrors का इस्तेमाल करके, एक मौका था।

Andrew Hawryluk नाम के एक scientist को इस काम पर लगाया गया था। कुछ सालों के अंदर, उन्होंने और उनकी team ने multilayer mirrors का इस्तेमाल करके कुछ x-ray light को reflect किया। लेकिन 1987 में, Andy को Cornell के एक professor का visit मिला। वो उनकी technologies से बहुत impressed थे। लेकिन Andy का कहना है: "उन्होंने मुझसे कहा, 'ये सब बहुत interesting और neat है, लेकिन क्या आप इस सामान से कुछ useful कर सकते हैं?'" ये टिप्पणी Andy को इतना चुभा कि वो घर गए और अगले 10 दिनों तक एक multi-page white paper लिखा। उन्होंने इन mirrors को lithography में apply किया, ताकि x-rays का इस्तेमाल करके chips print किए जा सकें।

लगभग पांच महीने बाद, Andy ने एक conference में अपनी findings present कीं। लेकिन Kinoshita की तरह, उन्हें भी वो response नहीं मिला जिसकी उन्हें उम्मीद थी। Andy का कहना है: "ये बेहद negative था। वो मेरे career का low point था। मुझे literally stage से हँस कर भगा दिया गया था। हर वो इंसान जिसकी मैं इज्जत करता था, उसने मेरे talk को सुना और microphone पर आकर बताया कि ये क्यों काम नहीं करेगा, ये कितना stupid idea है।"

लेकिन तीन दिन बाद, उन्हें Bell Labs से Bill Brinkman का phone आया। Andy के boss ने बताया कि Bill Brinkman AT&T के Executive Vice President थे। Brinkman ने Andy को New Jersey आकर talk देने को कहा। Bell Labs में, Andy को ऐसे लोग मिले जो उन पर विश्वास करते थे। पिछले 30 सालों में, US government ने Cold War के दौरान देश की technological edge बनाए रखने के लिए national labs में billions of dollars invest किए थे। 1980 के दशक के आखिर तक, Cold War धीमा हो रहा था और इन labs के पास ऐसी research थी जिसमें commercial potential था। इसलिए government ने labs को US companies के साथ partner करने के लिए encourage किया ताकि उस research को products में बदला जा सके और economy को stimulate किया जा सके। Bell Labs ने Andy के lab और दो अन्य labs के साथ partnership की ताकि x-ray lithography को develop किया जा सके। 1993 तक, x-ray lithography के लिए पहली international conference Japan में हुई, जहाँ Kinoshita ने कहा कि, "जब तक हम अपनी इच्छा नहीं खोते, technology micro से nano से pico तक लगातार आगे बढ़ेगी।" उन्होंने इस technology को एक नया नाम भी दिया: extreme ultraviolet lithography, या EUV।

लेकिन 1996 में, US government ने इस project के लिए funding काट दी। इससे Intel जैसी बड़ी chip companies के लिए disaster हो गया। Industry का अनुमान था कि 193 nanometer lithography साधन 2005 तक Moore's Law से पीछे रह जाएंगे, लेकिन कोई और विकल्प नहीं था। इसलिए Intel, Motorola, AMD और अन्य companies ने मिलकर $250 million invest किए ताकि इस project को जारी रखा जा सके। 2000 तक, labs ने Engineering Test Stand (ETS) बनाया। ये पहला fully functioning EUV prototype था। इसने 9.8 watts की 13.4 nanometer EUV light produce की, जिसे आठ mirrors से source से mask तक और फिर wafer तक reflect किया गया। ये 70 nanometer features print कर सकता था और इसने साबित किया कि EUV काम कर सकता है।

लेकिन prototype में एक बड़ी flaw थी। ये सिर्फ 10 wafers प्रति घंटे print कर सकता था। EUV को economically viable बनाने के लिए, इसे सैकड़ों wafers प्रति घंटे, 24/7, 365 दिन print करने की ज़रूरत थी। output धीमा होने की मुख्य वजह ये थी कि light आठ mirrors और reticle (जो एक mirror ही है) से reflect होती थी। हर mirror की reflectivity लगभग 70% थी, लेकिन नौ bounces के बाद, सिर्फ 4% light बचती थी। मतलब हर 100 photons में से सिर्फ चार wafer तक पहुँचते थे।

ज़्यादा mirrors इस्तेमाल करने से distortion कम होता है, लेकिन इससे light loss भी ज़्यादा होता है। आज के systems में छह mirrors होते हैं। छह mirrors और reticle से reflect होने के बाद भी, सिर्फ 8% light बचती है। इसलिए उन्हें source power को drastically बढ़ाना था, कम से कम 100 watts तक। ज़्यादातर companies के लिए, ये tenfold increase impossible लगा। American companies एक-एक करके full EUV lithography machine develop करने से पीछे हट गईं।

सिर्फ एक company बची: ASML। ASML, जो पहले Advanced Semiconductor Materials Lithography के नाम से जानी जाती थी, Netherlands के एक छोटे से town में स्थित है। ये 1980 के दशक में Philips से spin-off हुई थी, जिसके पास एक shed और एक मुश्किल से काम करने वाला wafer stepper था। लेकिन Philips ने उन्हें Jos Benschop (ASML के पहले researcher) और Martin van den Brink (जो बाद में ASML के CTO और EUV के सबसे बड़े champion बने) जैसे लोग भी दिए। Martin van den Brink को lithography का Steve Jobs कहा जाता है।

ASML US EUV consortium में पहले ही शामिल हो चुकी थी और अब EUV को commercialize करने का task उनका था। उन्होंने अपने German partner Zeiss के साथ काम किया, जहाँ Zeiss mirrors का ध्यान रखता और ASML light source पर ध्यान करती। किसी भी lithography system को बनाने में पहला decision wavelength का होता है। Underwood और Barbee पहले ही चार nanometers के आस-पास की light को reflect करने वाले mirrors बना चुके थे, लेकिन उनकी maximum reflectivity सिर्फ 20% थी। छह mirrors और reticle से टकराने के बाद, सिर्फ 0.00128% light बचती, जो बहुत कम थी।

आगे के researchers ने दो और pairs पर ध्यान दिया: silicon और molybdenum, जिसकी theoretical maximum reflectivity 13 nanometers के आस-पास 70% थी, और molybdenum और beryllium, जिसकी theoretical maximum reflectivity 11 nanometers के आस-पास 80% थी। Beryllium बेहद toxic और handle करने में मुश्किल था, इसलिए scientists ने silicon और molybdenum पर ध्यान किया।

mirrors बनाने के लिए, Zeiss ने sputtering नाम की एक प्रक्रिया का इस्तेमाल किया। Coating material के target पर plasma या ions से bombard किया जाता है, जिससे atoms बाहर निकलते हैं और mirror पर चिपक जाते हैं। ये एक messy प्रक्रिया है, इसलिए layers में bumps और कमियां बन जाते हैं। लेकिन Netherlands की team ने ion beam का इस्तेमाल करके इसे perfect किया, जिससे atoms सही जगह पर गिर कर surface को flat कर देते हैं। Mirror design finalize होने के बाद, ASML को उस specific wavelength के लिए एक source की ज़रूरत थी।

EUV generate करने के तीन तरीके हैं। Synchrotron को जल्दी ही बाहर कर दिया गया क्योंकि हर machine को अपना source चाहिए था। बाकी दो methods एक ही principle पर आधारित हैं: जब एक electron एक ion के साथ recombine होता है, तो ion एक lower energy level पर गिरता है और excess energy को photon के रूप में release करता है। अगर आप सही ion चुनते हैं, तो उस photon की wavelength वही होगी जो आपको चाहिए। Ions बनाने के दो तरीके हैं। पहला तरीका है एक metal लेना, उसे गर्म करना...

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