De onmogelijke machine die de wet van Moore redde en chips revolutionair maakte

Dit is een microchip. Als je inzoomt, zie je een nanoscopische computerstad. Wolkenkrabbers, honderden lagen hoog, met honderden kilometers aan draden die alles met elkaar verbinden. En helemaal onderaan zit dit. Transistors. Miljarden. Zij zijn de enen en nullen van onze computer. De chip werkt door elektronen van transistor naar transistor te sturen. Hoe kleiner je die transistors kunt maken, hoe minder afstand de signalen moeten afleggen, waardoor ze sneller kunnen rekenen. Bovendien kun je meer transistors in hetzelfde gebied kwijt, wat resulteert in een veel krachtigere chip. Dus gedurende meer dan 50 jaar werden transistors steeds kleiner en verdubbelde het aantal dat je op een chip kwijt kon om de twee jaar. Dit werd bekend als de wet van Moore, genoemd naar Gordon Moore, medeoprichter van Intel, nadat hij dit patroon in 1965 had opgemerkt, en het is een van de belangrijkste drijfveren van de tech-industrie geweest. Maar rond 2015 kwam de vooruitgang tot een abrupt einde. En we waren er misschien nooit overheen gekomen als er niet één bedrijf was geweest dat deze machines maakt, de machines die de wet van Moore hebben gered. Holy Dit is een video over het meest gecompliceerde commerciële product dat de mensheid ooit heeft gebouwd. Dat is waanzinnig. Het kost maar liefst 400 miljoen dollar en het is zo bizar dat ik het je wil voorstellen met een gedachte-experiment. Stel je voor dat je bent gekrompen tot het formaat van een mier. En je krijgt een laser die sterk genoeg is om metaal als boter te smelten. Vervolgens wordt een minuscuul druppeltje gesmolten tin, ongeveer zo groot als een witte bloedcel, met een snelheid van ongeveer 250 kilometer per uur voor je neus uitgeschoten. En het is jouw taak om dit niet één keer, niet twee keer, maar drie keer achter elkaar in 20 microseconden te raken met je kleine laser.

Nou, dat is precies wat deze machine doet. Hij raakt drie keer achter elkaar een klein druppeltje tin en verwarmt elk druppeltje tot meer dan 220.000 Kelvin. Dat is ongeveer 40 keer heter dan het oppervlak van de zon. En hij raakt niet slechts één druppeltje. Hij raakt elke seconde 50.000 druppeltjes. Hoe vaak mis je een laserschot? Wij missen ze niet. Wat? Je doet 150.000 laserschoten per seconde en je mist er geen één. Precies. Dezelfde machine bevat ook spiegels die misschien wel de gladste objecten in het universum zijn. Als je er een opschaalt tot de grootte van de aarde, dan zou de grootste oneffenheid niet dikker zijn dan een speelkaart. Bovendien is het in staat om de ene laag van een chip perfect over de andere te leggen, met een afwijking van nooit meer dan vijf atomen. En dit gebeurt allemaal terwijl delen van de machine ronddraaien met een versnelling van meer dan 20 G.

30 jaar lang dacht bijna iedereen dat het onmogelijk was om deze machine te bouwen. En toch bestaat hij. Er is maar één bedrijf ter wereld dat hem kan maken. Wat is dit voor bedrijf en wat is deze onmogelijke machine die ze hebben gebouwd? Deze video wordt gesponsord door Brilliant. Meer over hen aan het einde van de show. Even terzijde: de makers van deze machine hebben deze video niet gesponsord. We vonden de wetenschap en techniek hier gewoon zo cool dat we er een video over moesten maken. Laten we dus meteen beginnen. Om een microchip te maken, begin je met siliciumdioxide, meestal uit zand, en zuiver je dit tot ultrazuivere... bijna 100% siliciumbrokken, die vervolgens in een speciale oven worden gesmolten. Vervolgens laat je een klein zaadkristal in het vat zakken, waarbij siliciumatomen zich aan het kristal hechten en de structuur ervan uitbreiden. Daarna breng je het zaadkristal langzaam omhoog terwijl je het ronddraait, wat resulteert in een grote monokristallijne siliciumstaaf.

Hier zou het zaadkristal zitten, en dan trek je het eruit. Mag ik het aanraken? Ja, dat mag. Het lijkt alsof je dit vanaf hier niet kunt vasthouden. Ja. Het voelt zelfs kwetsbaar aan, alsof je... Wat is er niet goed? Ja, ik ben bang om het te breken. Ja. Hij gebruikt meer kracht. De staaf wordt vervolgens met diamantdraadzagen in wafers gesneden, tot wel 5000 stuks, waarna elke wafer zorgvuldig wordt gepolijst. Vervolgens wordt het bedekt met een lichtgevoelig materiaal dat fotoresist wordt genoemd. Er zijn verschillende soorten, maar bij een positieve fotoresist worden de delen die aan licht worden blootgesteld zwakker en beter oplosbaar. Dus als je licht door een masker met patronen schijnt, kun je selectief delen van die coating verzwakken.

Vervolgens spoel je de wafer af met een basische oplossing om de blootgestelde fotoresist weg te spoelen, waardoor het ontwerp achterblijft. Nu kun je dit patroon omzetten in fysieke structuren. Dit gebeurt vaak door het blootgestelde silicium te etsen met behulp van chemicaliën of plasma. Vervolgens breng je een metaal zoals koper aan om de geëtste lijnen op te vullen. Als laatste stap spoel je de resterende fotoresist weg. En nu heb je een enkele laag van de chip gemaakt. We hebben deze cyclus vereenvoudigd tot de belangrijkste stappen: coaten, belichten, etsen en aanbrengen. Dit wordt herhaald voor elke afzonderlijke chip-laag, en afhankelijk van de chip kunnen er 10 tot 100 lagen zijn. De onderste laag is de hoofdlaag, daar zitten de transistors. Dit is de meest gecompliceerde laag, waarvoor honderden stappen nodig zijn die allemaal perfect moeten zijn. De bovenste lagen zijn iets eenvoudiger. Dit zijn de metalen draden die signalen en stroom transporteren. Uiteindelijk kan de voltooide wafer honderden chips bevatten, die vervolgens in afzonderlijke stukken worden gesneden, verpakt en in producten worden geplaatst. Maar veruit de moeilijkste en meest cruciale stap in het proces is wanneer je licht door het masker op de wafer schijnt. Dit is fotolithografie. Deze stap bepaalt namelijk hoe klein je de onderdelen kunt maken. In eerste instantie lijkt het eenvoudig. Licht gaat door de openingen en wordt door de rest geblokkeerd. Maar als je steeds kleinere onderdelen probeert af te drukken, komen de openingen in het masker steeds dichter bij de golflengte van het licht. En dat levert problemen op. We kunnen dat laten zien, want ik heb toevallig een...

Dit is een masker, dit is een reticle. Een reticle of masker bevat het ontwerp van één chip-laag. Deze reticle is gevuld met microscopisch kleine lijnen en openingen met een diameter van ongeveer 670 nanometer. Als ik een laserpen neem, dit is een rode laser, en ik deze erdoorheen schijn, dan zie je dit hier. De laser heeft een golflengte van ongeveer 650 nanometer. Wanneer het licht op het reticule valt, buigen de golffronten als ze door elke opening gaan. Dus elke opening stuurt golven uit die zich verspreiden en overlappen. Laten we nu eens kijken naar het licht van deze twee openingen. Wanneer de pieken van de ene golf samenvallen met de dalen van de andere, zeggen we dat de twee golven buitenfase zijn en elkaar opheffen. Dan krijg je donkere vlekken. En wanneer de pieken samenvallen met de pieken, zijn de twee golven in fase. Ze versterken elkaar en je krijgt heldere vlekken. Je krijgt interferentie, toch? En je krijgt een diffractiepatroon.

Diffractie is nu eenmaal onvermijdelijk. In plaats van ertegen te vechten, gebruiken ontwerpers het juist om de patronen te krijgen die ze willen. Ze werken als het ware achteruit vanuit het uiteindelijke patroon dat ze op de wafer willen hebben en ontwerpen de spleten zo dat diffractie op een zodanige manier optreedt dat het gewenste patroon ontstaat. Je ziet drie stippen. De middelste stip is de oorspronkelijke, dat is de nulde orde, en links en rechts zie je de eerste en de min eerste orde. Om dit beeld op de wafer te kunnen weergeven, moet je de nulde, de eerste en de min eerste orde vastleggen. Hoe kleiner je de kenmerken maakt, hoe groter de hoek alfa tussen de nulde en de eerste orde wordt. Je lens moet dus groter zijn om het licht vast te leggen. De grootte van de lens wordt beschreven door de numerieke apertuur, of kortweg NA, wat gewoon de sinus van deze hoek is. Hoe groter die is, hoe kleiner de kenmerken zijn die je kunt afdrukken. Maar er is een harde limiet aan hoe groot je lenssysteem kan zijn. Als deze hoek 90 graden is en je numerieke apertuur 1, dan zou je lens oneindig groot moeten zijn. Gelukkig is er nog iets anders dat we kunnen veranderen. Dit is een rode laser.

En een rode laser heeft een golflengte van 650 nanometer, zou ik zeggen. En als ik een groene laser neem, en deze heeft een golflengte van 532, dan kun je zien dat de groene stippen dichter bij elkaar staan dan de rode stippen. Dat komt omdat het licht uit de twee verschillende openingen minder ver hoeft te reizen om weer in fase te komen. Daardoor komen de orden dichter bij elkaar te staan. Met een kleinere golflengte kun je dus kleinere patronen afdrukken met dezelfde lens. Dit alles wordt weergegeven door de Rayleigh-vergelijking, die de kleinste afmeting of kritische dimensie bepaalt. Maar aangezien er een limiet is aan hoeveel je de numerieke apertuur kunt vergroten, bedoel ik tot één, is de enige manier om steeds kleinere afmetingen te blijven maken, door steeds kortere golflengten te gebruiken. Dit is precies wat er tot eind jaren negentig gebeurde, toen de industrie zich vastlegde op 193 nanometer diep UV-licht. Dit was het licht dat tot ongeveer 2015 werd gebruikt om de meest geavanceerde chips te maken. Maar tegen die tijd hadden wetenschappers de grens bereikt van hoe klein ze de kenmerken konden maken. En de wet van Moore stond op het punt om tegen een muur aan te lopen. Er was dus een radicale verandering nodig. Een verandering die al ongeveer 30 jaar in de maak was. Al in de jaren 80 kwam de Japanse wetenschapper Hiroki Noshida met een gek idee. Waarom zouden we geen veel kortere golflengten gebruiken, zoals röntgenstraling van ongeveer 10 nanometer? In theorie zou je daarmee veel kleinere onderdelen kunnen printen. Maar al snel stuit je op een probleem. Röntgenstraling met deze golflengten heeft genoeg energie om elektronen uit hun atomen te stoten, dus de meeste materialen absorberen ze. Maar in tegenstelling tot medische röntgenstraling, die een golflengte heeft van minder dan 1 nanometer, zijn deze nog steeds lang genoeg om met error te interageren. Dus error absorbeert ze ook.

Dat betekende dat Kinoshita's opstelling in een vacuüm moest staan. Maar wat nog erger was, hij kon geen lenzen gebruiken om het licht te focussen, omdat de lenzen het ook zouden absorberen. Het leek er dus op dat dit idee nooit zou werken. Maar rond 1983 stuitte Kineshita op een artikel van Jim Underwood en Troy Barbee. Hun werk richtte zich op speciale spiegels die röntgenstraling met een golflengte van 4,48 nanometer konden reflecteren. Kineshita was geïntrigeerd. Gebogen spiegels kunnen licht net als lenzen focussen. Als hij erachter kon komen hoe hij deze speciale spiegels voor de golflengte die hij gebruikte kon maken, dan zou dit een andere manier kunnen zijn om fotolithografie toe te passen. De spiegels werken ongeveer als volgt. Wanneer licht van het ene medium naar het andere gaat, bijvoorbeeld van lucht naar glas, buigt of breekt het. Een deel gaat door en een deel wordt teruggekaatst. Hoeveel er wordt gereflecteerd, hangt af van zaken als de hoek, de polarisatie van het licht en, voor ons het belangrijkste, het verschil tussen de brekingsindexen van de twee media. Hoe groter dat verschil, hoe meer licht er wordt gereflecteerd. Underwood en Barbie maakten gebruik van dat principe. Ze maakten een superdunne laag wolfraam, minder dan een nanometer dik, dun genoeg om röntgenstralen door te laten zonder dat deze onmiddellijk werden geabsorbeerd. Wanneer röntgenstralen onder een bepaalde hoek op de laag vallen, reflecteert het wolfraam minder dan 1%. Vervolgens hebben ze de dikte van de laag zorgvuldig afgestemd, zodat de weglengte van de doorgelaten röntgenstralen slechts een kwart van de golflengte bedroeg. Daarna hebben ze nog een laag toegevoegd, dit keer van koolstof. Koolstof heeft een hogere brekingsindex dan wolfraam voor golflengten van 4,48 nanometer. De röntgenstralen raken de grens en een klein beetje meer wordt gereflecteerd. Maar deze keer is de fase omgekeerd, ofwel veranderd met een halve golflengte. Dit gebeurt wanneer licht van een lagere brekingsindex naar een hogere brekingsindex gaat. Tegen de tijd dat deze nieuwe gereflecteerde golf de wolfraamgrens bereikt, heeft hij nog een kwart van zijn golflengte afgelegd, in totaal een halve golflengte, zodat de twee fasen op één lijn liggen en de golven constructief interfereren. Underwood en Barbie bleven deze truc toepassen voor in totaal 76 afwisselende lagen, zodat ze in totaal veel meer röntgenstraling konden terugkaatsen. Ze slaagden er slechts in om ongeveer 6% van het licht terug te kaatsen, maar het was een bewijs van het principe dat je röntgenstraling kunt terugkaatsen. Kinoshita zag dus de mogelijkheden.

Hij ging aan de slag en na ongeveer twee jaar ontwierp en bouwde zijn team drie gebogen meerlaagse spiegels van wolfraamcarbide om licht van 11 nanometer te reflecteren. Hiermee slaagde hij erin lijnen van 4 micron of 4000 nanometer dik te printen. Hiermee bewees hij dat röntgenlithografie in theorie mogelijk was. Een jaar later, in 1986, ging hij zijn bevindingen presenteren aan de Japanese Society of Applied Physics. Trots en opgewonden legde hij zijn opstelling uit en toonde hij zijn afbeelding. Maar tot zijn grote schrik weigerde het publiek het te geloven. Kinoshita was er kapot van. Later zei hij dat mensen niet wilden geloven dat we daadwerkelijk een afbeelding hadden gemaakt door röntgenstraling te buigen, en dat ze het hele verhaal als een sterk verhaal beschouwden. Niemand geloofde dat dit een haalbare manier was om verder te gaan. En helaas was die reactie op zijn minst enigszins gerechtvaardigd. Ten eerste wordt dit licht niet op natuurlijke wijze door iets op aarde geproduceerd. De dichtstbijzijnde natuurlijke bron is de zon. We moesten in feite een kunstmatige zon hier op aarde bouwen. De meeste wetenschappers, waaronder Kineshita, produceerden röntgenlicht met behulp van een deeltjesversneller of een synchrotron.

Het levert een enorme hoeveelheid energie op. Het is zo groot als een voetbalveld. Je kunt er de hele FEPP mee van energie voorzien. Het probleem is dat als het licht uitgaat, de hele FEPP uitvalt. Dus elke machine had zijn eigen energiebron nodig. Maar zelfs als je het licht zou kunnen produceren, zou je ongelooflijk gladde spiegels moeten maken om die kleine details daadwerkelijk te kunnen focussen en afdrukken. Je zou de gladste objecten in het universum nodig hebben. Oké, ik heb een voetbal, een stuiterbal en een straat met kasseien. Wat denk je dat er gebeurt als ik ze laat vallen? De voetbal stuitert in principe recht omhoog, maar de stuiterbal schiet gewoon opzij. Dat komt omdat het oppervlak relatief vlak is voor de voetbal, die veel groter is, maar super ruw voor de stuiterbal. Hetzelfde gebeurt met spiegels. Als het oppervlak super ruw is in vergelijking met de golflengte, dan verspreidt het licht zich willekeurig. Het ziet er misschien glad uit, maar als je inzoomt op een spiegel, zie je iets dat er zo uitziet.

Je vindt allemaal gekke oneffenheden. Om de ruwheid te meten, neem je het gemiddelde van deze oneffenheden, en dat geeft je de gemiddelde lijn. Voor een normale huishoudspiegel is de gemiddelde hoogte ongeveer 4000 siliciumatomen. Maar voor de spiegels van Kinoshita, die niet alleen röntgenlicht moesten reflecteren, dat een 100 keer kortere golflengte heeft, maar ook de verstrooiing moesten minimaliseren, zodat alle fotonen op de wafer terechtkomen, moesten ze veel gladder zijn. Ze moesten atomair glad zijn. In feite mocht de gemiddelde oneffenheid slechts ongeveer 2,3 siliciumatomen dik zijn. Als één spiegel zo groot zou zijn als Duitsland, zou de grootste oneffenheid ongeveer een millimeter hoog zijn. Maar Kinoshita weigerde op te geven. Mijn overtuiging veranderde echter niet. En al snel kwam er hulp uit een onverwachte hoek. Aan de andere kant van de Stille Oceaan, ongeveer 70 kilometer ten oosten van San Francisco, ligt het Lawrence Livermore National Lab, een laboratorium dat is ontstaan uit de Koude Oorlog, zwaar gefinancierd door de Amerikaanse overheid en gebouwd voor één enkel doel: kernwapens. Het laboratorium is opgericht door de uitvinder van de cyclotron, Ernest Lawrence, en de vader van de waterstofbom, Edward Teller.

En gedurende hun bestaan ontwierpen ze meer dan 10 kernkoppen van het fusietype. Een deel van hun onderzoek richtte zich dus op wat er binnen kernfusiereacties gebeurt. Fusiereacties brachten veel röntgenlicht vrij, licht dat ze nooit hadden kunnen vastleggen en analyseren. Maar nu, met behulp van die speciale meerlaagse spiegels, was er een kans. Een van de wetenschappers die met deze taak was belast, was Andrew Hoverluck. Binnen een paar jaar slaagden hij en zijn team erin om met behulp van meerlaagse spiegels een deel van het röntgenlicht te reflecteren. Maar toen, in 1987, kreeg Andy bezoek van een professor van Cornell. Hij was erg onder de indruk van de technologieën die we hadden ontwikkeld, en aan het eind van de dag keek hij me aan en zei: dit is allemaal heel interessant en heel netjes en zo, maar zijn woorden, en ik zal ze tot mijn dood onthouden, waren: kun je hier iets nuttigs mee doen? Dit was de dag voor de kerstvakantie in 1987, en ik was zo gepikeerd door die opmerking dat ik naar huis ging en de volgende tien dagen een whitepaper van meerdere pagina's schreef. Hij paste deze spiegels toe op lithografie, om chips te printen met behulp van röntgenstraling. Ongeveer vijf maanden later presenteerde Andy zijn bevindingen op een conferentie. Maar net als Inoshita was het niet de reactie waarop hij had gehoopt. Het was uiterst negatief. Dat was het dieptepunt van mijn carrière. Ik werd letterlijk van het podium gelachen, en dat is geen grap. Iedereen die ik in het vakgebied bewonderde, luisterde naar mijn lezing en kwam naar de microfoon. En vertelde me in feite waarom het niet zou werken, hoe stom het idee was. Later die week vloog ik terug en de maandag daarop vroeg mijn baas me hoe het was gegaan. Ik keek hem aan en zei dat ik er nooit meer over zou praten. Maar drie dagen later kreeg hij een telefoontje van iemand die Bill Brinkman heette, van Bell Labs. Ik liep naar mijn baas toe en zei: "Ik heb net een telefoontje gekregen van een man die Bill Brinkman heet, weet je wie dat is? Mijn baas sperde zijn ogen wijd open en zei: "Ja, dat is de executive vice president van AT&T." Ik zei: "Hij heeft me net gebeld en gevraagd om naar New Jersey te vliegen en een lezing te geven." Het antwoord van mijn baas zei genoeg. Hij zei in feite: "Je moet gaan." Bij Bell Labs vond Andy gelijkgestemden, en dat kon niet op een beter moment komen. In de afgelopen 30 jaar had de Amerikaanse regering miljarden dollars geïnvesteerd in nationale laboratoria om tijdens de Koude Oorlog de technologische voorsprong van het land te behouden. Maar tegen het einde van de jaren tachtig nam de Koude Oorlog af en hadden al deze laboratoria onderzoek gedaan dat commercieel potentieel had. Daarom moedigde de regering de laboratoria aan om samen te werken met Amerikaanse bedrijven, om dat onderzoek om te zetten in producten en de economie te stimuleren.

En de overheid zou dan startkapitaal verstrekken. Bell Labs ging daarom een samenwerking aan met Endys Labs en twee andere bedrijven om door te gaan met de ontwikkeling van röntgenlithografie. En in 1993 werd de eerste internationale conferentie over röntgenlithografie gehouden in Japan, vlakbij de berg Fuji. In zijn openingsrede zei Kinoshita dat, zolang we het verlangen dat in ons is ontstaan niet verliezen, de technologie gestaag zal evolueren van micro naar nano naar pico. Ze gaven de technologie zelfs een nieuwe naam. Extreme ultraviolet lithografie, of kortweg EUV. Maar in 1996 stopte de Amerikaanse regering de financiering van het project. Dit betekende een ramp voor de grote chipbedrijven zoals Intel. De industrie schatte dat de 193 nanometer lithografietools in 2005 achter zouden blijven bij de wet van Moore. Maar er waren geen andere alternatieven. Daarom kwamen Intel, Motorola, AMD en andere bedrijven samen en investeerden ze 250 miljoen dollar om het project voort te zetten, waarmee het de grootste investering ooit door de particuliere industrie in een onderzoeksproject van het Ministerie van Energie werd. Tegen het jaar 2000 hadden de laboratoria dit geproduceerd, de technische testopstelling. Het was het eerste volledig functionerende EUV-prototype. Het produceerde 9,8

watt aan 13,4 nanometer EUV-licht, dat vervolgens door acht spiegels werd gereflecteerd van de bron naar het masker naar de wafer. Het kon 70 nanometer-elementen printen en bewees dat EUV kon werken. Het was een mijlpaal om de technische testopstelling aan de praat te krijgen. Het toonde aan bedrijven als Intel dat goede techniek ons daar kan brengen. En het lijkt erop dat je het prototype hebt. Het zou dan niet zo moeilijk moeten zijn om het op de markt te brengen. Dat dachten ze tenminste. Maar het prototype had een groot nadeel. Het kon slechts ongeveer 10 wafers per uur printen. Om EUV economisch haalbaar te maken, zou het honderden wafers per uur moeten printen, 24 uur per dag, 7 dagen per week, 365 dagen per jaar. De belangrijkste reden waarom de output zo traag was, was omdat het licht werd gereflecteerd door acht spiegels en het reticule, dat ook een spiegel is, maar dan met het ontwerp erop gedrukt. Traditionele maskers die licht doorlaten, werken niet omdat ze al het licht absorberen. Elke spiegel had een reflectievermogen van ongeveer 70%, wat dicht bij het maximum ligt.

Na 9 keer weerkaatsen blijft er slechts 4% van het licht over. Dat betekent dat van elke 100 fotonen er slechts 4 de wafer bereiken. Je zou dus kunnen denken: gebruik dan gewoon veel minder spiegels. Maar dat werkt maar tot op zekere hoogte. Wanneer je licht focust met een optisch systeem, krijg je altijd enige vervorming. Stralen die door de buitenste randen van de meeste lenzen gaan, focussen het licht bijvoorbeeld iets anders dan stralen die dichter bij het midden komen. Dit wordt sferische aberratie genoemd. Normale camera's corrigeren deze en andere aberraties door meerdere lenzen te gebruiken. Bij een spiegelsysteem is dat niet anders. Je hebt een bepaald aantal spiegels nodig voordat je kunt zeggen dat je de aberraties onder controle hebt. In werkelijkheid hebben de huidige systemen zes spiegels. Dat helpt een beetje, maar na weerkaatsing door zes spiegels en het dradenkruis blijft er nog steeds maar ongeveer 8% van het licht over. Daarom moest het vermogen van de lichtbron drastisch worden verhoogd tot minstens 100 watt.

Voor de meeste bedrijven leek die vertienvoudiging onmogelijk. Zelfs mensen die aan het technische testnet werkten, merkten op dat, hoewel de EUV-technologie zelf een uitgemaakte zaak was, er nog zes miljoen technische uitdagingen waren om deze technologie in de fabriekspraktijk te realiseren. En dus stapten Amerikaanse bedrijven een voor een af van de ontwikkeling van een volledige EUV-lithografiemachine. Er bleef nog maar één bedrijf over. ASML, wat vroeger stond voor Advanced Semiconductor Materials Lithography, is gevestigd in een klein, onopvallend stadje in Nederland. Het bedrijf is in de jaren 80 afgesplitst van Philips en had toen niet veel meer dan een schuur en een nauwelijks werkende waferstepper. Maar Philips gaf hen ook mensen. Jos Benschoop, de eerste onderzoeker van ASML, en Martin van den Brink, die uiteindelijk CTO van ASML en de grootste voorvechter van EUV zou worden. Hij is echt de Steve Jobs van de lithografie. En hij zag EUV aankomen. ASML was eerder toegetreden tot het Amerikaanse EUV-consortium en nu was het hun taak om een manier te vinden om EUV te commercialiseren. Ze zouden samenwerken met hun Duitse partner Zeiss, waarbij Zeiss zich zou bezighouden met de spiegels en ASML zich zou richten op de lichtbron. Een van de eerste beslissingen bij het maken van een lithografiesysteem is het bepalen van de te gebruiken golflengte. In het begin werd alles tussen 5 en 40 nanometer onderzocht.

Het punt is dat je een bron moet vinden en dat je optica moet vinden die de golflengten reflecteert. Je moet dus op zoek naar de juiste combinatie. Underwood en Barbie hadden al spiegels gemaakt die licht van ongeveer 4 nanometer konden reflecteren. En aangezien die golflengte zo klein is, lijkt dat een voor de hand liggende keuze. Maar de maximale reflectiviteit van die spiegels was slechts ongeveer 20%. Dus nadat het licht op zes spiegels en het dradenkruis is gevallen, blijft er slechts 0,00128% van het licht over. Dat is veel te weinig. Gelukkig hebben andere onderzoekers ook naar twee andere combinaties gekeken. Silicium en molybdeen, met een theoretische maximale reflectiviteit van 70% voor golflengten rond 30 nm, en molybdeen en beryllium, met een theoretische maximale reflectiviteit van 80% voor golflengten rond 11 nm. De keuze leek dus voor de hand te liggen, toch? Ik bedoel, kies de kortere golflengte en de hogere reflectiviteit. Maar het blijkt dat beryllium extreem giftig is en ook moeilijk te hanteren.

Daarom richtten wetenschappers zich in plaats daarvan op silicium en molybdeen. Om de spiegels te maken, gebruikte Zeiss een proces dat sputtering wordt genoemd. Een doelwit van coatingmateriaal wordt gebombardeerd met plasma of ionen, waardoor atomen worden uitgestoten, wegvliegen en aan de spiegel blijven kleven. Dit is een rommelig proces, waardoor de lagen uiteindelijk oneffenheden en gaten vertonen. Het team in Nederland bedacht een handige truc om dit te verhelpen. Met een ionenstraal schud je het materiaal een beetje totdat het atoom in het gat valt waar het moet zijn, en dan is alles vlak. Toen het ontwerp van de spiegel vaststond, had ASML een bron nodig voor die specifieke golflengte. Dat was 13,x. De volgende goede vraag is: wat is de X? Nu ga je op zoek naar de bron. Er zijn in principe drie manieren om EUV te genereren, om een zon op aarde te bouwen. De eerste methode, die vroege onderzoekers gebruikten, was de synchrotron. Maar die werd al snel afgeschaft omdat elke machine zijn eigen bron nodig had.

De andere twee methoden zijn gebaseerd op hetzelfde principe. Wanneer een elektron zich opnieuw verbindt met een ion, daalt het ion naar een lager energieniveau en geeft het die overtollige energie vrij als een foton. En als je precies het juiste ion kiest, heeft dat foton precies de golflengte die je nodig hebt. Er zijn twee manieren om die ionen te creëren. De eerste is door een metaal te nemen, het te verhitten tot je een metaaldamp krijgt en er vervolgens een sterk elektrisch veld op toe te passen. Hierdoor botsen drie elektronen tegen nabijgelegen atomen en ioniseren ze. Als je vervolgens het elektrische veld uitschakelt, recombineren de elektronen met de ionen en produceren ze licht. Dit is door ontlading geproduceerd plasma. Dat is het concept dat we als eerste hebben gebruikt vanwege de relatieve eenvoud ervan. En we kregen het al snel tot een paar watt. We wilden 100 watt halen en hebben daar eindeloos mee geworsteld. Dus je kon het niet opschalen? We konden het niet opschalen. Er was een drastische verandering nodig.

Daarom schakelden ze over op de tweede methode. Bij deze methode wordt een krachtige laser gebruikt om een doelmateriaal te raken, waardoor een plasma ontstaat met een temperatuur van meer dan 220.000 graden Celsius. De elektronen hebben zoveel energie dat de kern ze niet meer kan vasthouden, waardoor tot wel 14 elektronen uit hun banen ontsnappen. Nadat de laser is uitgeschakeld, recombineren de elektronen en ionen om licht te produceren. Dit is lasergeproduceerd plasma, en het was de enige methode die schaalbaar leek. In feite was dit dezelfde methode die de technische testbank gebruikte. Een laser van 1700 watt schoot in een stroom xenongas om licht van 13,4 nanometer te produceren. Maar xenon had een groot probleem. De omzettingsrendement, dat wil zeggen de verhouding tussen bruikbaar licht en de hoeveelheid energie die je erin stopt, was verschrikkelijk. Die bedroeg slechts ongeveer 0,5%. Dat komt omdat xenon weliswaar licht uitzendt in het bereik van 13 tot 14 nanometer, maar er veel meer licht wordt vrijgegeven rond 11 nanometer. Het grootste deel van de energie ging dus naar het produceren van licht dat de spiegels niet konden reflecteren. Bovendien ioniseerde de laser niet alle atomen.

De overgebleven neutrale xenonatomen zouden dus een deel van dat 13,4 nm-licht sterk reabsorberen. Daarom ging ASML op zoek naar een ander materiaal, namelijk tin. Tin heeft een veel hogere emissiepiek rond 13,5 nm, wat resulteert in een 5 tot 10 keer hogere conversie-efficiëntie dan xenon. Maar net als xenon absorberen ook neutrale tinatomen EUV-licht. Daarom kwamen ze met een gek idee. Ze zouden één klein tin-druppeltje per keer afvuren. Maar om het benodigde vermogen te krijgen, zou je duizenden druppeltjes per seconde moeten maken en afvuren. Die zouden allemaal exact dezelfde vorm en grootte moeten hebben. Het bleek echter onmogelijk om in één keer duizenden identieke tin-druppeltjes te maken. Daarom bedachten ze een oplossing. Om de druppeltjes te maken, wordt extreem zuiver tin gesmolten en met behulp van stikstof onder hoge druk door een microscopisch kleine spuitmond geduwd. Deze spuitmond trilt met een hoge frequentie, waardoor de stroom in kleine druppeltjes wordt gebroken.

Deze druppels zijn onregelmatig qua grootte, vorm, snelheid en afstand, en het hele proces is chaotisch. Dat is net als onze magische saus: hoe moduleer je die tinnen straal zodat hij de druppels vormt die we willen en die stabiel zijn? Ik denk dat we een artikel hebben gevonden waarin dit proces wordt beschreven en het was voor mij een soort eyeopener dat alle druppeltjes eigenlijk onregelmatig uit de spuitmond komen. Maar voordat ze de kant bereiken waar ze door de laser worden geraakt, komen de kleine onregelmatige druppeltjes samen en vormen ze perfect gespatieerde, perfect regelmatige druppeltjes die ongeveer dezelfde grootte en vorm hebben en allemaal met dezelfde snelheid bewegen. Dat voelt voor mij als magie, Jason. Ja, dat is het precies. Hoe zorg je ervoor dat een lange stroom van een tinnen straal die in al die onregelmatige druppeltjes uiteen wil vallen, als het ware wordt gedwongen om in één enkele druppel samen te vallen, en dat dit dan steeds weer opnieuw gebeurt? Je hebt ook niet zoveel variabelen om mee te spelen. Je hebt de druk waarmee je het tin eruit duwt en de frequentie van de spuitmond. Ja, het lijkt een moeilijk op te lossen probleem. Er zijn niet veel variabelen om mee te spelen, dus door die modulatie van de straal onder de knie te krijgen, kunnen we de druppels maken. Maar deze druppels moeten niet alleen identiek zijn, ze moeten ook ongelooflijk snel bewegen. Wat er gebeurt, is dat als de volgende druppel die naar beneden komt te dichtbij is, deze verstoord raakt en de volgende plasma-gebeurtenis verpest.

We hebben dus een vereiste dat we 50.000 druppeltjes per seconde moeten produceren, maar ook dat ze extreem snel moeten bewegen. In 2011 bereikte hun lasergeproduceerde plasmabron 11 watt, wat meer dan het dubbele was van wat ze met hun vorige bron konden bereiken. Maar ze waren nog steeds beperkt tot slechts 5 wafers per uur. Ze moesten dus snel het vermogen verhogen, omdat ze hadden beloofd dat ze tegen het einde van 2011 60 wafers per uur zouden halen. Helaas had deze nieuwe methode een groot nadeel. Het probleem met tin is dat wanneer je de druppel raakt, je EUV genereert met een zeer behoorlijke conversie-efficiëntie. Waar gaat het tin dan naartoe? Want op 30 centimeter afstand heb je deze... atomair vlakke, zeer mooie, zeer dure spiegel van onze vrienden bij Zeiss. Ja. En in het begin zouden we het ding op deze manier coaten. Deze machines moeten een jaar lang draaien. Je voert liters tin door dit plasma-evenement en als er ook maar één nanometer tin op die collector-spiegel terechtkomt, moet je de collector buiten gebruik stellen. We moeten hem een jaar lang bijna perfect schoon houden.

Ja, hoe pak je dat eigenlijk aan? Ons belangrijkste hulpmiddel hier is eigenlijk waterstofgas. Ze hebben de kamer gevuld met waterstof onder lage druk. Dit vertraagt en koelt de tinpartikels af. En zelfs als er wat tin in de collector terechtkomt, trekt de waterstof het eraf om een gas te vormen dat stenaan wordt genoemd. Op deze manier reinigt de machine de collectoren terwijl hij draait. Maar dat waterstofgas wordt ook heet door al die tinontploffingen. Daarom moeten ze steeds nieuwe, koelere waterstof in het systeem spoelen en tegelijkertijd het stenaan en het hetere gas wegspoelen. Maar ze moesten de druk en het debiet precies goed krijgen. Te weinig waterstof zou de spiegels te vuil maken, maar te veel waterstof zou niet alleen te veel EUV-licht absorberen, maar ook ervoor zorgen dat het systeem oververhit raakt. Maar de vraag is: hoeveel warmte is er? Hoeveel energie wordt er in het gas opgeslagen? En daar hebben we een hele tijd mee geworsteld. Als je naar een EUV-lichtbron kijkt, zie je dat het een soort bol van paarsrood licht is.

Je vraagt je af: waarom gebeurt dat? Dus kochten we een ultrasnelle camera. Wat we ons realiseerden, is dat er na elke plasma-gebeurtenis een schokgolf is die zich voortplant in het waterstofgas en die uiterst herhaalbaar is. Je denkt dan bij jezelf dat er een verklaring voor moet zijn en er is een formule, de Taylor-Van-Numens-Zadeau-formule, die puntbron-explosies in een omgeving verklaart, zoals bijvoorbeeld een nucleaire explosie tot een supernova. Dus ik nam deze formule, die de gegevens precies beschrijft. Het is gewoon fantastisch dat we deze kleine supernova's 50.000 keer per seconde in ons vat zien gebeuren. En is dat een juiste manier om hierover na te denken? Alsof er mini-supernova's worden gecreëerd? Ja, het lijkt er eigenlijk wel op. Het lijkt bijna op een type 1a-supernova, waarbij een object volledig verdampt en uit elkaar explodeert. En wanneer al die energie in het waterstofgas terechtkomt, ontstaat er een schokgolf, een explosiegolf die naar buiten schiet, wat in feite hetzelfde is als wat je ziet als je naar de nachtelijke hemel kijkt. Er zijn van die overblijfselen van supernova's die je vanuit de ruimte kunt zien. Aan de hand van die energieberekeningen ontdekten ze dat ze de waterstof met ongelooflijk hoge snelheden moesten wegspoelen, ongeveer 360 kilometer per uur. Dat is meer dan een orkaan van categorie 5, ook al zijn die snelheden bij een lage dichtheid. Maar 2012 kwam en ging voorbij, en ze hadden nog steeds niet genoeg vermogen.

In 2013 bereikte ASML slechts 50 watt door 50.000 dunne druppeltjes per seconde af te vuren. Maar deze verhoogde kracht had een prijs. Want meer kracht betekent meer warmte. Warmte die ervoor zorgt dat de spiegels iets verschuiven, wat resulteert in verkeerd uitgelijnd licht en verkeerd uitgelijnde chip-lagen. Daarom bouwde Zeiss een zenuwstelsel rechtstreeks in de optica. Robotgestuurde sensoren die voortdurend de exacte positie en hoek van elke spiegel meten, tot op de nanometer en de PicoVadian nauwkeurig, wat absoluut waanzinnig is. Hoe nauwkeurig moeten we deze spiegel dan aansturen? Een van de dingen die je kunt doen, is een gedachte-experiment. Ik kan een kleine laser aan de zijkant van deze spiegel plaatsen en we gaan helemaal naar de maan en we leggen hier een dubbeltje neer, zodat dit licht helemaal hierheen reist en dan kan ik met de nauwkeurigheid waarmee ik deze spiegel kan aansturen, beslissen of ik naar deze kant van het dubbeltje wijs of liever naar deze kant van het dubbeltje. Wat? Dat is gek. Je ziet dus dat de richtnauwkeurigheid ook in picoradianten is. Dat is iets heel extreems. Hierdoor konden ze het licht zelfs bij een hoger vermogen controleren. Terwijl Zeiss uitstekend werk leverde op het gebied van de optica, worstelde ASML nog steeds met de stroombron.

Het probleem was dat de pin-druppels te dicht waren. Dit betekende dat het grootste deel van het uitgezonden EUV-licht nog steeds werd geabsorbeerd door de neutrale atomen, voordat het de collector-spiegel kon bereiken. De manier waarop we de druppel wegbliezen, zorgde voor te weinig licht en te veel puin. Om het nog erger te maken, zagen ze dat ze over ongeveer tien jaar een nieuwe generatie machines nodig zouden hebben. Een EUV-machine met een hoge NA. In wezen een machine met een groter optisch systeem dat kleinere details kon afdrukken. Dus wat deden ze? Ze besloten om hun inzet te verdubbelen en te investeren in de volgende generatie, nog voordat ze de huidige aan de praat hadden gekregen. De meest twijfelachtige periode was in het begin. Dus begon ik hier in 2012 aan te werken. Op dat moment werkte EUV nog niet. En er was een gekke idioot die aan de volgende generatie werkte, terwijl we nog niet eens EUV-licht konden maken. Niet alleen zet je alles in op EUV, je verdubbelt je inzet nog voordat je weet of EUV gaat werken. Maar om de ontwikkeling te blijven financieren, hadden ze geld nodig. En veel geld. Dus wendden ze zich tot de mensen die deze technologie nodig hadden. ASML nam contact op met zijn belangrijkste klanten. Oké, jullie willen deze technologie voor de volgende generatie chips? Dan moeten jullie ons in staat stellen om meer te investeren door in ons te investeren. Intel investeerde ongeveer 4,1 miljard dollar.

En Samsung en TSMC investeerden samen nog eens 1,3 miljard dollar. Ze konden dus doorgaan met het onderzoek, maar zonder product om te laten zien raakten de klanten hun geduld kwijt. We werden op elke conferentie aan de schandpaal genageld. We konden de beloften die we vorig jaar hadden gedaan niet nakomen. En ze zeiden: dit is wat je twee jaar geleden liet zien, dit is wat je vorig jaar liet zien, dit is wat je me dit jaar vertelt, dus waarom zou ik je geloven? Ze werden wanhopig. Maar dit was, denk ik, rond 2012 of 2013. We hadden moeite om de EV-voeding op gang te krijgen. Kinoshita kwam bij ons op bezoek en nam hem mee uit eten in een klein stadje in de buurt. Tegenover het restaurant stond een Maria-kapel. En nu, weet je, wetenschap, we zijn aan de grenzen van de wetenschap gekomen. Laten we oproepen tot een duidelijke interventie. Dus gingen we naar de kapel.

Dus Kinoshita stak voor de zekerheid drie kaarsen aan voor de drie leveranciers die op dat moment bezig waren met EV-technologie. En zie daar, ik heb de gegevens om het te bewijzen, er is een zeer sterke correlatie. Als wij de kaars aansteken, gaat het vermogen omhoog. Het is geen causaal effect, maar er is een sterke correlatie. Het grote idee was om in plaats van één keer op de druppel te schieten, twee keer te schieten. Eén schot om de druppel te raken, waardoor deze zich uitbreidt als een pannenkoek. En dan, pas dan, het tweede schot, de krachtigere hoofdpuls, waarmee je de pannenkoek verdampt en in plasma verandert. Dit was een belangrijke doorbraak. Door het doelwit te veranderen van een druppel naar een pannenkoek, kreeg je een groter oppervlak voor de laser om te verdampen, maar zonder de kosten van het toevoegen van meer puin of neutrale atomen. Want nu wordt het tin in één keer verdampt. In 2014 slaagden ze er eindelijk in om die felbegeerde 100 W-grens te bereiken. Maar verbeteringen in multi-patterning met 193 nm betekenden nu dat EUV alleen nuttig zou zijn als de bron minstens 200 watt bereikte en 125 wafers per uur produceerde. De bron ging van 100 naar 200, maar terwijl de industrie verder ging, wachtte niemand op hen. Ze vonden andere oplossingen.

We moesten een achterstand inhalen, dus het was een bewegend doel. Een van de problemen was hoe je de laser perfect kunt timen zodat je elk van deze druppels raakt. De analogie is een beetje zoals een golfbal die je in een hole op 200 meter afstand moet laten landen. Niet zoals op de green landen, niet stuiteren en dan in de hole terechtkomen, maar elke keer in de hole landen. Dat is het niveau van precisie dat we nodig hebben om de druppels af te leveren. Die druppels bewegen zich door een soort maalstroom van waterstofstromen. De snelheden zijn enorm hoog. Het is alsof je golfballen door een tornado schiet en precies op het moment dat ze in de hole landen, moeten ze door de laser worden geraakt. Om de druppels te volgen, gebruiken we lasercurtains en kunnen we zien wanneer de druppel door een lasercurtain gaat. Die verstrooide fotonen vertellen ons in feite wanneer en waar de druppel zich bevindt, en geven ons vooral aan wanneer we de laser moeten afvuren. We moeten dus rekening houden met hoe lang het duurt voordat de lichtpuls de druppel raakt nadat we de puls hebben verzonden. In 2015 kwamen ze steeds dichter bij die felbegeerde grens van 200 watt. Toen werden de bestuursleden van ASML plotseling bijeengeroepen. Dit was een van die beslissende momenten waarop onze klanten echt geen geduld meer hadden.

Martin en alle bestuursleden werden naar Korea geroepen om 200W te demonstreren. En ze waren het echt zat. Je weet wel, je laat het nu zien of je gaat weg. En toen ze het vliegtuig instapten, was het experiment nog steeds bezig. Toen ze het vliegtuig verlieten... hadden ze het eerste resultaat dat ons allemaal liet zien hoe dichtbij we waren gekomen. Met de bron ingeschakeld, was er nog één laatste probleem dat moest worden opgelost voordat ze konden beginnen met de productie van hun machine. Hoewel het waterstofgas de collector spiegel weliswaar beschermde tegen vuil, was het niet perfect. Alle intense hoogenergetische fotonen en waterstofionen die rondzoevend een zeer speciale toplaag op de collector aantastten. Dus moesten ze de spiegels nog steeds elke 10 uur schoonmaken, wat, zoals u weet, verschrikkelijk is voor de productiviteit. Martin van den Brink vroeg elke dag om updates over hun voortgang. Maar toen merkte een van de ingenieurs dat elke keer als ze de machine openden, de spiegels plotseling schoner leken. Hij mengde zich in het gesprek en zei: "Wacht even. Telkens als we de machine openen, komt er zuurstof binnen en is ons probleem opgelost."

Zouden we niet een manier kunnen bedenken om een beetje zuurstof aan ons systeem toe te voegen en ervoor te zorgen dat de collector langer schoon blijft? En dus begonnen ze te experimenteren met de hoeveelheid zuurstof die nodig was in het vacuüm. Uiteindelijk kwamen ze tot de conclusie dat als ze zoveel zuurstof toevoegden, de collector langer schoon zou blijven. Met deze oplossing kon de machine van ASML veel langer continu draaien. En uiteindelijk werd het commercieel haalbaar. In 2016 begonnen de bestellingen binnen te stromen. En nu hebben alle geavanceerde chips de machine van ASML nodig, waardoor het misschien wel het belangrijkste technologiebedrijf ter wereld is geworden. De eerste commerciële machines van ASML hadden een numerieke apertuur van 0,33 en konden lijnen van 13 nanometer printen. Deze machines worden machines met lage NA genoemd en ASML maakt ze nog steeds. Maar de machine waar het team van Jan in 2012 aan begon te werken, was de volgende generatie, met een groter optisch systeem zodat ze nog kleinere details konden printen. Dit is de machine met hoge NA en een numerieke apertuur van 0,55, en we kunnen de nieuwste versie van dichtbij bekijken. Hoeveel kost de machine?

We zeggen altijd meer dan 350 miljoen euro. En je kunt het ook echt kopen, toch? Ja, als je dat wilt. Als ik het geld had, zou ik het kunnen kopen. Ja, dat zou kunnen. Hoeveel mensen hebben dit al gezien? We beperken het aantal mensen dat de cleanroom mag betreden echt tot een minimum. De machines van ASML worden gebouwd in een superstrikte cleanroom. In elke kubieke meter mogen niet meer dan 10 deeltjes aanwezig zijn, die slechts 0,1 micron groot mogen zijn, en niets groter dan dat. Een stuifmeelkorrel is ongeveer 20 micron groot en extreem fijn zand is ongeveer 10 micron groot. Om dit alles in perspectief te plaatsen: in operatiekamers van ziekenhuizen, die extreem schoon moeten zijn, zijn maximaal 10.000 deeltjes per kubieke meter toegestaan die 0,1 micron breed zijn. Het is zo oneerlijk dat Mark er zoveel beter uitziet.

In zijn witte pak voel ik me een beetje gekrenkt. Oké, we gaan door de luchtdouches. Dus je moet doen wat ik doe. Oké. Dit is om alle deeltjes die nog op ons zitten weg te borstelen. Ja, dit is alsof super schone lucht ons schoon blaast. Deze plek is enorm. Het is enorm. Het is waanzinnig. Ik ben al een paar keer in een cleanroom geweest, maar dit is iets heel anders. Zijn er hier geheime ruimtes waar bijna niemand toegang toe heeft? Dat kan ik je niet vertellen. Geweldig antwoord. Oké, dit is dus het totale systeem.

Is dit het? Dit is waanzinnig. Kijk eens hoe groot het is. Dit is de meest geavanceerde machine die de mensheid ooit heeft gebouwd. Het heeft vele, vele jaren, decennia van ontwikkeling en vele miljarden dollars gekost. Allemaal om deze gigantische schoonheid te krijgen. Dus dit is de eerste HNA-machine? Ja. Dus als je foto's op internet of zo hebt gezien? Ja. Dat is deze machine. Dus de allereerste lijnen die ooit op 8 nanometer zijn gedrukt en zo? Dat was deze machine. Het gladste object op aarde?

Ja, het staat hier allemaal in, ja. Wacht, even kijken of ik dit kan begrijpen. Dit is de lichtbron. Dus waar maken ze het extreme ultraviolet? Ja. En dan moet de laser binnenkomen vanuit... Ja, laten we eens naar de laser kijken. We moeten eigenlijk zien hoe de laser en de lichtbron werken. Ik denk dat we hier het lasersysteem binnenkomen. Mark controleert even of we hier wel mogen filmen. We leggen niets vast wat we niet mogen vastleggen. Oei, dit ziet er gevaarlijk uit. Het lasersysteem is bedekt met al deze bruine kasten, maar hier is een modelversie. Een koolstofdioxidelaser van slechts een paar watt komt deze versterker binnen.

waar het rondkaatst totdat het ongeveer vijf keer zo krachtig is als oorspronkelijk. Vervolgens gaat het door in totaal vier verschillende versterkers om de uiteindelijke laser op 20.000 watt te brengen, wat vier keer sterker is dan lasers die door staal snijden. Hier hebben we de versterkers die deze krachtige laserstraal genereren. En dan komt het er in feite uit en dit is een deel van het straaltransportsysteem waarmee het naar de machine wordt gebracht. Dus deze buis hier bevat de grote laserstraal. En deze heeft een spiegel? Ja. Vervolgens gaan de pulsen naar de lichtbronmodule. Het lijkt een beetje op een transformator of op, ik weet niet, een ruimteschip. Er lopen zoveel draden overal naartoe. Raak dit niet aan. Jeetje. Dit is behoorlijk groot, dit is waanzinnig. En dit is alleen maar de lichtbron?

Dit is alleen de lichtbron. Heb je deze vergelijkingsfoto? En dus heb je dit allemaal nodig om een UV-lamp te maken. Alleen om het licht te maken. Ja. Dat is ongelooflijk. Kunnen we even rondlopen? We kunnen even rondlopen. Laten we gaan. Dus dit is in feite het hart van de bron. Mag ik hierop gaan staan? Als je kleiner bent dan 137, mag dat. Ik denk dat ik dat ben. Woo En dus komen de dunne druppeltjes van links binnen.

Ja. Dan schieten we de laser vanaf hier? Ja. Oké, het explodeert. En dan het licht? Het licht gaat daarheen. Een verbetering van de eerste EUV-machine van ASML ten opzichte van hun nieuwste machine is het aantal pulsen dat op de druppel valt. De eerste prepuls maakt de druppel nog steeds plat als een pannenkoek. Maar nu is er ook een tweede prepuls die de dichtheid verder vermindert. Het verandert het in feite in een gas met lage dichtheid. Het verifieert het. En dan ioniseert de laatste puls in feite alles. Dus voor in principe hetzelfde vermogen dat afkomstig is van de aandrijflaser, krijgen ze nog meer EUV-licht. Als ze nu nog meer licht willen, is de enige manier om dat te doen door meer druppels te raken. En dat is precies wat ze hebben gedaan. Onze meest recente EUV-lichtbronnen die we momenteel leveren, hebben een vermogen van ongeveer 500 watt. We hebben de herhalingsfrequentie verhoogd tot 60.000 keer per seconde. En dan hebben we een roadmap die naar 100.000 druppels per seconde gaat. We hebben dit van 100.000 druppels per seconde nu al in het lab gedemonstreerd. Het is dus geen F, maar een overwinning. Gek.

De drie pulsen die we gebruiken om de pannenkoek te maken, om de pannenkoek een beetje op te blazen en vervolgens om de pannenkoek te verdampen. De eerste twee pulsen komen door deze buis hier binnen. En dan de hoofdpuls met de grote laser. De laserstraal wordt door deze buis hier geleverd. Zowel de machines met hoge als lage NA die momenteel worden verzonden, maken gebruik van vrije pulsen en uiteindelijk zullen ze meer druppels per seconde raken. Maar de lichtbron is slechts een klein onderdeel van de volledige machine. Nadat het EUV-licht door de collector spiegel is weerkaatst, gaat het naar de verlichting. Een reeks spiegels vormt en focust het licht voordat het op het reticule valt. Het reticule is de bovenste helft en deze module wordt in een aparte faciliteit gebouwd en later geïnstalleerd. Vervolgens gaat het licht naar de projectie-optiekbox, een reeks spiegels die het licht verkleinen. De machine met hoge NA kan het patroon acht keer in verticale richting en vier keer in horizontale richting verkleinen. De spiegels zijn ook veel gladder. Als de spiegels met lage NA zo groot waren als Duitsland, zou de hoogste bobbel ongeveer een millimeter zijn. Maar als de spiegels met hoge NA zo groot waren als de wereld, zou de hoogste bobbel ongeveer de dikte van een speelkaart zijn.

Door de combinatie van deze twee verbeteringen kon ASML de numerieke apertuur verhogen van 0,33 naar 0,55. En uiteindelijk valt het licht op de wafer. Om ongeveer 185 wafers per uur te kunnen printen, beweegt het reticle heen en weer met een versnelling van meer dan 20 G. Dat is meer dan vijf keer de versnelling van een Formule 1-auto. Dit is een filmpje van hoe dat er in deze machine uitziet. Let wel, dit is niet versneld. Wat ik zo gek vind aan deze machine is niet hoe snel het reticle beweegt of hoe klein het kan printen, maar hoe waanzinnig nauwkeurig het moet zijn. De maximale afwijking tussen twee lagen, de zogenaamde overlay, is één nanometer. Dat is een precisie van vijf siliciumatomen. Dat is waanzinnig. Wat we als systeemingenieurs meestal doen, is een budget opstellen. We zeggen bijvoorbeeld: "Oké, je krijgt een nanometer", en dan verdelen we die nanometer in kleinere fracties. Het totaal aantal nanometers. Het is niet zo dat jouw groep een nanometer krijgt.

Je krijgt een nanometer, je krijgt... nee, nee. Je krijgt in totaal een nanometer. Ja. Dus je moet vechten voor je deel van de nanometer. Het is best cool om te beseffen dat elke smartphone tegenwoordig een chip heeft die is gemaakt met een machine die hier is samengesteld. Dat is een coole gedachte. Kijk hier eens naar. Best groot, zo groot. Dus, bedek je het? Ja. Bij een klant ziet het eruit als een grote witte doos. Ik vind het zo mooier. Ja, ik ook. Het is grappig dat je zo'n grote machine nodig hebt, zoveel infrastructuur, om de kleinste dingen te maken die we op grote schaal kunnen maken. Het is omgekeerd evenredig. Ja, hoe kleiner je wilt gaan, hoe groter alles eromheen wordt. Nadat de machines zijn geassembleerd, getest en goedgekeurd, worden ze gedemonteerd om over de hele wereld te worden verzonden. 5.000 bedrijven leveren 100.000 onderdelen, 3.000 kabels, 40.000 bouten en 2 kilometer slang. ASML verzendt hun Hainai-machine in 250 containers, verdeeld over 25 vrachtwagens en 7 Boeing 747's. Ondanks alle twijfels en tegenslagen heeft EUV uiteindelijk, drie decennia na de eerste beelden van Kinoshita, het productiestadium bereikt. Maar zelfs toen bijna de hele wereld niet geloofde dat het zou werken, waren er bij ASML enkele mensen die al in 2010 wisten dat het zou lukken.

Rond 2001 zeiden we: laten we EUV gaan doen. En toen kwamen we veel uitdagingen tegen. In 2010 installeerden we het eerste systeem bij een klant. Het werd dus in Korea geïnstalleerd. Daar stond het dan. Dit ding waar ik al 13 jaar naar streefde, stond nu bij een klant. Toen ik de ontheffingen produceerde, besefte ik dat we de juiste keuze hadden gemaakt. Jaren later kwam Jas de man tegen die had geholpen bij de installatie van de eerste machine. Hij is nu professor aan een gerenommeerd instituut. Ik vertelde hem hoe opgelucht ik was en hoe goed onze beslissing was geweest. Hanko zei: "Ja, toen je wegging, toen je na Kerstmis vertrok, ging het ding kapot. Het duurde twee maanden voordat het weer werkte. Ze hadden me bijna ontslagen omdat ik de verkeerde beslissing had genomen. We hebben onderweg wat ups en downs gehad, maar toen ik het systeem eenmaal bij een klant in een FAB geïnstalleerd zag, wist ik dat we de juiste keuze hadden gemaakt.

Dit was in 2010, de eerste telefoon kwam uit in 2019, dus we hadden nog wat hindernissen te overwinnen, maar we zijn doorgegaan. Nu heb ik enkele maanden aan deze video gewerkt en erover nagedacht, en het voelt nog steeds volstrekt onmogelijk. Hoe meer ik erover nadenk, hoe meer ik denk dat die mensen van 40 jaar geleden die zeiden dat het onmogelijk was, gelijk hadden. Het is volstrekt onredelijk om te denken dat je deze kunstmatige zon in een laboratorium kunt maken, dat je deze spiegels kunt maken die zo glad zijn, en dat je de vereiste overlay-nauwkeurigheid kunt bereiken. Het is redelijk om te denken dat dat allemaal onmogelijk is en om alle problemen met elk van deze aspecten aan te wijzen. Dat doet me denken aan het volgende citaat: De redelijke mens past zich aan de wereld aan. De onredelijke mens blijft volharden in zijn pogingen om de wereld aan zichzelf aan te passen. Daarom is alle vooruitgang afhankelijk van de onredelijke mens. Stel je voor dat Andy en Kinoshita en alle anderen redelijk waren geweest. Dan zouden we dit allemaal niet hebben. Stel je eens voor hoe de wereld eruit zou zien als iedereen redelijk was. Die zou waarschijnlijk ontzettend saai zijn. Waarschijnlijk zouden de meeste technologieën en de meeste dingen waar je dagelijks van geniet, niet bestaan. Je zou deze video waarschijnlijk niet eens bekijken, omdat vrijwel alle technologie die we tegenwoordig hebben, 200 jaar geleden nog volkomen onredelijk zou lijken.

En dus denk ik echt dat we ons leven voor een groot deel te danken hebben aan die onredelijke mensen. En misschien is het, in ieder geval voor mij, een herinnering dat het goed is om een beetje onredelijk te zijn. Tenminste in sommige belangrijke aspecten van het leven. De wereld veranderen is moeilijk. Het kostte duizenden obstakels en meer dan 30 jaar om EUV te laten werken. Maar grote doorbraken beginnen meestal op dezelfde manier. Dat wil zeggen: je leert. Je onderzoekt een aantal gerelateerde ideeën, je probeert ze op nieuwe manieren toe te passen en vervolgens ontwikkel je vaardigheden om steeds grotere uitdagingen aan te gaan. Beetje bij beetje doe je kennis op. En dat is waar de sponsor van de video van vandaag, Brilliant, om de hoek komt kijken. Brilliant helpt je uit te blinken in wiskunde, natuurwetenschappen en informatica met visueel interactief leren dat op jou is afgestemd. Het is een ongelooflijk krachtige manier om grote leerdoelen te bereiken, wiskunde voor school onder de knie te krijgen of bij te dragen aan de volgende grote technologische doorbraak. Bij Brilliant leer je door te doen. Onderzoek heeft aangetoond dat deze methode veel effectiever is dan alleen passief leren. Het begint op het juiste niveau, op basis van je achtergrond, ontwerpt oefeningen en herhalingen die op jou zijn afgestemd, en helpt je vervolgens om in je eigen tempo vooruitgang te boeken. Er is altijd iets nieuws te ontdekken bij Brilliant. Wil je optica beter begrijpen na het bekijken van deze video? Dan is hun cursus Wetenschappelijk denken een geweldige plek om te beginnen. Deze cursus helpt je om te denken als een ingenieur door je te laten zien hoe je grote concepten kunt opsplitsen in kleinere, begrijpelijkere stukjes. Of je nu fundamentele wiskunde, algebra of calculus onder de knie wilt krijgen, je wilt verdiepen in algoritmen, materiaalkunde wilt verkennen of de fysica wilt begrijpen die ons verder brengt dan EUV, Brilliant helpt je om dat te bereiken. En als je, net als ik, hebt besloten om in het nieuwe jaar meer te leren, dan is Brilliant een geweldige manier om dat voornemen ook echt waar te maken. Om gratis te leren, ga je naar brilliant.org slash Veritasium, scan je de QR-code op het scherm of klik je op de link in de beschrijving. Brilliant geeft onze kijkers ook 20% korting op een jaarlijks premiumabonnement, waarmee je onbeperkt dagelijks toegang hebt tot alles op Brilliant. Ik wil Brilliant bedanken voor het sponsoren van deze video, en ik wil jullie bedanken voor het kijken.