The World's Most Important Machine
Now Playing
The World's Most Important Machine
Transcript
1419 segments
- Dit is een microchip.
Als je inzoomt, vind je een nanoscopische computerstad,
wolkenkrabbers honderden lagen hoog
met honderden kilometers aan draden die alles verbinden.
En helemaal onderaan zit dit,
transistoren,
miljarden.
Zij zijn de enen en nullen van onze computer.
De chip werkt door elektronen razendsnel
van transistor naar transistor te sturen,
en hoe kleiner je die transistoren kunt maken,
hoe minder de signalen hoeven te reizen,
dus hoe sneller ze kunnen rekenen.
Bovendien kun je meer transistoren in hetzelfde oppervlak passen,
wat resulteert in een veel krachtigere chip.
Dus meer dan 50 jaar lang werden transistoren steeds kleiner en kleiner,
en het aantal dat je op een chip kon passen verdubbelde
elke twee jaar.
Dit werd bekend als de Wet van Moore,
vernoemd naar medeoprichter van Intel, Gordon Moore,
nadat hij het patroon in 1965 opmerkte,
en het is een van de belangrijkste drijvende krachten van de technologie-industrie geweest.
Maar rond 2015
kwam de vooruitgang tot een schreeuwende stop,
en we waren er misschien nooit voorbij gekomen
als het niet was geweest voor een enkel bedrijf dat deze machines maakt,
de machines die de Wet van Moore redden.
- Wauw.
- Dit is een video over het meest gecompliceerde
commerciële product dat de mensheid ooit heeft gebouwd.
- Dat is krankzinnig.
- Het kost een duizelingwekkende $400 miljoen,
en het is zo bizar dat ik het aan je wil voorstellen
met een gedachte-experiment.
Stel je voor dat je gekrompen bent
tot de grootte van een mier,
en je krijgt een laser die sterk genoeg is om
door metaal te smelten zoals boter.
Vervolgens wordt een piepklein druppeltje gesmolten tin,
ongeveer zo groot als een witte bloedcel,
voor je uitgeschoten
met ongeveer 250 kilometer per uur.
En jouw taak is om dit niet één keer, niet twee keer,
maar drie keer achter elkaar te raken in 20 microseconden
met je kleine laser.
Nou, dat is precies wat deze machine doet.
Hij raakt één klein tinnen druppeltje drie keer achter elkaar,
en verhit elke keer tot meer dan 220.000 Kelvin.
Dat is ongeveer 40 keer heter dan het oppervlak van de Zon.
En het raakt niet slechts één druppel,
het raakt 50.000 druppels elke seconde.
Hoe vaak mis je een lasershot?
- We missen ze niet.
- Wat?
Je doet 150.000 lasershots per seconde,
en je mist er niet één?
- Precies.
- Dezelfde machine bevat ook spiegels
die misschien wel de gladste objecten in het universum zijn.
Als je er één zou vergroten tot de grootte van de Aarde,
dan zou de grootste bult
niet dikker zijn dan een speelkaart.
Daarbovenop is hij in staat om
één laag van een chip perfect op een andere te leggen
en nooit meer dan vijf atomen mis te zitten.
En dit gebeurt allemaal
terwijl delen van de machine rondzwiepen
met versnellingen van meer dan 20 G.
(machine ratelt).
30 jaar lang dacht bijna iedereen
dat het daadwerkelijk bouwen van deze machine onmogelijk was,
en toch bestaat hij.
Er is slechts één bedrijf in de wereld dat hem kan maken.
Dus wat is dit bedrijf en wat is
deze onmogelijke machine die ze hebben gebouwd?
Deze video wordt gesponsord door Brilliant.
Meer over hen aan het eind van de show.
Nu, 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 er dus meteen in duiken.
(vrolijke muziek)
- [Derek] Om een microchip te maken, begin je
met het nemen van siliciumdioxide, meestal uit zand,
en het zuiveren tot ultrazuiver,
bijna 100% siliciumklompen,
die vervolgens worden gesmolten in een speciale oven.
Vervolgens laat je een klein zaadkristal in het bad zakken.
Siliciumatomen hechten zich aan het kristal,
en breiden de structuur uit.
Daarna til je het zaadkristal langzaam op terwijl je het roteert
en dit resulteert in een groot, enkelkristallijn siliciumstaaf.
- Hier zou het zaadkristal zitten.
Ja. - En dan trek je het eruit.
- [Casper] Mag ik het aanraken?
- Ja, dat mag.
- Het lijkt alsof je dit niet zou kunnen vasthouden
vanaf hier. - Jawel.
- Het voelt zelfs broos aan.
Alsof je...
- [Persoon buiten beeld] Breek het niet.
- Ja, ik ben bang dat ik het breek.
- Ja.
- Hij gebruikt meer kracht.
- [Derek] Het gietstuk wordt vervolgens in wafers gesneden
met diamant-draadzagen, tot wel 5000 stuks,
waarna elke wafer zorgvuldig wordt gepolijst.
Vervolgens wordt het gecoat met een lichtgevoelig materiaal genaamd
fotoresist.
Er zijn verschillende soorten,
maar in een positieve fotoresist,
worden de gebieden die aan licht worden blootgesteld zwakker en beter oplosbaar.
Dus als je licht door een gepatroonde masker schijnt,
kun je delen van die coating selectief verzwakken.
Daarna spoel je de wafer met een basische oplossing
om de belichte fotoresist weg te wassen,
waardoor het ontwerp achterblijft.
Nu kun je dit patroon daadwerkelijk omzetten
in fysieke structuren.
Dit gebeurt vaak door te etsen
in het onbedekte silicium
met behulp van chemicaliën of plasma.
En dan deponeer je een metaal, zoals koper,
om die geëtste lijnen op te vullen.
Als laatste stap was je de overgebleven fotoresist weg,
en nu heb je een enkele laag van de chip gemaakt.
We hebben deze cyclus vereenvoudigd tot de hoofdstappen:
coaten, belichten, etsen en deponeren.
Het herhaalt zich voor elke chip-laag,
en afhankelijk van de chip,
kunnen er tussen de 10 en 100 lagen zijn.
De onderste laag zijn de transistoren.
Dit is de meest gecompliceerde laag,
die honderden stappen vereist
die allemaal perfect moeten zijn.
De hogere lagen zijn iets gemakkelijker.
Dit zijn de metalen draden die signalen en stroom geleiden.
Aan het einde kan de voltooide wafer honderden chips bevatten,
die dan in aparte stukken worden gesneden,
verpakt en in producten gestopt.
Maar verreweg de moeilijkste en meest cruciale stap
in het proces is waar je licht door het masker schijnt
en op de wafer.
Dit is fotolithografie,
en dat komt omdat deze stap bepaalt
hoe klein je de structuren kunt maken.
- Aanvankelijk lijkt het simpel,
licht gaat door de openingen
en wordt door de rest geblokkeerd.
Maar als je steeds kleinere structuren probeert te printen,
naderen de openingen in het masker
de golflengte van het licht,
en dat veroorzaakt problemen.
- En we kunnen het daadwerkelijk laten zien
omdat ik toevallig een... dit is een masker.
Dit is een retikel.
- [Casper] Een retikel of masker bevat
het ontwerp van één chip-laag.
Dit retikel is gevuld met microscopisch kleine lijnen en openingen,
ongeveer 670 nanometer breed.
- En als ik bijvoorbeeld een laserpointer neem,
dit is een rode laser. - Jep.
- Als ik er doorheen schijn, dan zie je dit hier.
- [Casper] De laser heeft een golflengte
van ongeveer 650 nanometer.
Wanneer licht het retikel raakt,
buigen de golfvormen als ze door elke opening gaan.
Dus elke opening zendt golven uit die zich verspreiden en overlappen.
Laten we nu alleen naar het licht van deze twee openingen kijken.
Wanneer de pieken van de ene golf samenvallen
met de dalen van de andere,
zeggen we dat de twee golven uit fase zijn
en ze heffen elkaar op,
dus je krijgt donkere vlekken,
en wanneer de pieken samenvallen met de pieken,
zijn de twee golven in fase.
Ze tellen op en je krijgt heldere vlekken.
- Je kunt interferentie krijgen. - Ja.
- Precies, en je krijgt een diffractiepatroon.
- Diffractie is nu onvermijdelijk.
Dus in plaats van het te bestrijden,
gebruiken ontwerpers het eigenlijk om de patronen te krijgen die ze willen.
Ze werken eigenlijk achterstevoren vanuit het uiteindelijke patroon
dat ze op de wafer willen,
en ze ontwerpen de spleten
zodat diffractie optreedt
op zo'n manier dat het het gewenste patroon creëert.
- Je ziet drie stippen, de middelste stip,
dat is de originele.
Dat is de nulde orde.
En dan links en rechts,
zie je de eerste en de min eerste.
Om dit beeld nu scherp op de wafer te krijgen,
moet je de nulde en de eerste
en de min eerste orde opvangen.
- [Derek] Hoe kleiner je de structuren maakt,
hoe groter deze hoek, alfa,
tussen de nulde en eerste orden wordt,
dus hoe groter je lens moet zijn om het licht op te vangen.
De grootte van de lens wordt beschreven door de numerieke apertuur
of NA afgekort,
wat gewoon de sinus van deze hoek is.
Dus hoe groter die is,
hoe kleiner de structuren die je kunt printen.
Maar er is een harde limiet
aan hoe groot je lenssysteem kan zijn
wanneer deze hoek 90 graden is
en je numerieke apertuur één is,
waarbij je lens oneindig groot zou moeten zijn.
Gelukkig is er nog één ander ding dat we kunnen veranderen.
- Dit is een rode laser. - [Casper] Ja.
- En een rode laser heeft een golflengte van 650 nanometer,
ongeveer, zou ik zeggen. - [Casper] Ja.
- 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.
- [Derek] Dat komt omdat het licht
van de twee verschillende openingen niet zover hoeft te reizen
om weer in fase te komen.
Dus de orden komen dichter bij elkaar te liggen.
Dus met een kleinere golflengte,
kun je kleinere patronen printen met dezelfde lens.
Dit alles wordt samengevat in de Rayleigh-vergelijking,
die de kleinste structuurgrootte bepaalt
of kritische dimensie.
- Maar aangezien er een limiet is
aan hoeveel je de numerieke apertuur kunt vergroten,
ik bedoel tot één,
was in de loop der tijd de enige manier om
steeds kleinere structuren te blijven maken
door steeds kortere golflengtes te gebruiken.
Dus dit is precies wat er gebeurde
tot eind jaren negentig,
toen de industrie standaardiseerde op 193 nanometer
diep UV-licht.
Dit was het licht dat werd gebruikt om
alle meest geavanceerde chips te maken
tot ongeveer 2015.
Maar tegen die tijd hadden wetenschappers een limiet bereikt
in hoe klein ze de structuren konden maken.
En de wet van Moore stond op het punt tegen een muur aan te lopen.
Er was dus een radicale verandering nodig,
een verandering die al zo'n 30 jaar broeide.
Ver terug in de jaren tachtig,
kwam de Japanse wetenschapper Hiroo Kinoshita
op een gek idee.
Waarom niet veel kortere golflengtes gebruiken,
zoals röntgenstralen van ongeveer 10 nanometer?
In theorie zou dat je moeten toestaan om
veel kleinere structuren te printen,
maar je loopt al snel tegen een probleem aan.
Röntgenstralen met deze golflengten hebben
genoeg energie om elektronen uit hun atomen te stoten,
dus de meeste materialen absorberen ze.
Maar in tegenstelling tot medische röntgenstralen die
golflengten korter dan één nanometer hebben,
zijn deze nog lang genoeg om met lucht te interacteren.
Dus lucht absorbeert ze ook.
Dat betekende dat Kinoshita's opstelling in een vacuüm moest staan,
maar nog erger,
hij kon geen lenzen gebruiken om het licht te focusseren
omdat de lenzen het ook zouden absorberen.
Het leek er dus op dat dit idee nooit zou werken.
- [Derek] Maar rond 1983,
stuitte Kinoshita op een paper
van Jim Underwood en Troy Barbee.
Hun werk richtte zich op speciale spiegels
die röntgenstralen konden reflecteren
met een golflengte van 4,48 nanometer.
Dus Kinoshita was geïntrigeerd.
Gebogen spiegels kunnen licht focusseren net zoals lenzen dat doen.
Als hij kon uitpluizen hoe hij
deze speciale spiegels moest maken voor
de golflengte die hij gebruikte,
dan zou dit een andere manier kunnen zijn om fotolithografie te doen.
De spiegels werken ongeveer zo.
Wanneer licht van het ene medium naar het andere gaat,
bijvoorbeeld van lucht naar glas,
buigt het of breekt het.
Een deel gaat er doorheen en een deel reflecteert terug.
Hoeveel er reflecteert hangt af van zaken als de hoek,
de polarisatie van het licht,
en het belangrijkste voor ons,
het verschil tussen de brekingsindices
van de twee media.
Hoe groter dat verschil, hoe meer licht wordt gereflecteerd.
En Underwood en Barbee gebruikten dat principe.
Ze maakten een superdunne laag wolfraam,
minder dan één nanometer dik,
dun genoeg dat röntgenstralen er doorheen konden
zonder onmiddellijk te worden geabsorbeerd.
Wanneer röntgenstralen de laag raken onder een specifieke hoek,
reflecteerde het wolfraam minder dan 1%.
Vervolgens stelden ze de laagdikte zorgvuldig af
zodat de weglengte van de doorgelaten röntgenstralen
slechts een kwart van zijn golflengte was.
Toen voegden ze nog een laag toe, deze keer van koolstof.
Het heeft een hogere brekingsindex dan wolfraam
voor golflengten van 4,48 nanometer.
De röntgenstralen raken de grens
en er reflecteert een beetje meer,
maar deze keer is de fase omgekeerd
of veranderd met een halve golflengte.
Dit gebeurt wanneer licht beweegt
van een lagere naar een hogere brekingsindex.
Tegen de tijd dat deze nieuwe gereflecteerde golf
de wolfraamgrens bereikt,
heeft het nog een kwart van zijn golflengte afgelegd,
dus een halve golflengte in totaal.
Dus de twee fases komen overeen
en de golven interfereren constructief.
Underwood en Barbee bleven deze truc toepassen
voor in totaal 76 afwisselende lagen,
zodat ze in totaal veel meer
van de röntgenstralen konden terugkaatsen.
Nu, ze slaagden er slechts in om
ongeveer 6% van het licht te reflecteren,
maar het was een bewijs van principe
dat je röntgenstralen kunt reflecteren.
- Dus Kinoshita zag de mogelijkheden.
Hij ging aan de slag, en na ongeveer twee jaar,
ontwierp en bouwde zijn team
drie gebogen multi-laag spiegels van wolfraam-koolstof
om 11 nanometer licht te reflecteren.
En daarmee slaagde hij erin om lijnen te printen
van vier micron of 4000 nanometer dik,
waarmee hij bewees dat, in ieder geval in theorie,
röntgenlithografie 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 liet zijn afbeelding zien.
Maar tot zijn ontsteltenis weigerde het publiek het te geloven.
- [Kinoshita] Helaas was het publiek
zeer sceptisch over mijn verhaal.
- [Casper] Kinoshita was verpletterd.
Hij zei later: "Mensen leken niet te willen geloven
dat we daadwerkelijk een beeld hadden gemaakt door röntgenstralen te buigen,
en ze neigden ernaar het hele verhaal
als een broodjeaapverhaal te beschouwen."
- Niemand geloofde dat dit een haalbare weg vooruit was,
en helaas was de reactie
op zijn minst enigszins gerechtvaardigd.
Ten eerste wordt dit licht van nature niet geproduceerd
door iets op aarde.
De dichtstbijzijnde natuurlijke bron is de zon.
- We moesten eigenlijk een kunstmatige zon bouwen hier op aarde.
- [Derek] De meeste wetenschappers, inclusief Kinoshita,
produceerden röntgenlicht met behulp van
een deeltjesversneller of een synchrotron.
- [Jos] Het geeft een enorme hoeveelheid vermogen.
Het is zo groot als een voetbalveld.
Je kunt er een hele fabriek van stroom voorzien.
Het probleem is: als het licht uitgaat,
dan valt de hele fabriek stil.
- Dus elke machine had zijn eigen energiebron nodig.
Maar zelfs als je het licht kon produceren,
dan moest je ongelooflijk gladde spiegels maken
om die kleine structuren daadwerkelijk te kunnen focusseren en printen.
Je zou de gladste objecten in het universum nodig hebben.
- Oké, ik heb een voetbal
en ik heb een stuiterbal en een klinkerstraat.
Wat denk je dat er gebeurt als ik ze laat vallen?
De voetbal stuitert vrijwel recht omhoog,
maar voor de stuiterbal,
schiet die gewoon zijwaarts weg.
En dat komt omdat het oppervlak relatief vlak is
voor de voetbal, die veel groter is,
maar super ruw voor de stuiterbal.
En iets soortgelijks gebeurt met spiegels.
Als het oppervlak super ruw is
in vergelijking met de grootte van de golflengte,
dan wordt het licht willekeurig verstrooid.
Nu lijkt het misschien glad,
maar als je inzoomt op een spiegel,
vind je iets dat er zo uitziet,
je vindt al die gekke bobbels.
En om nu de ruwheid te meten,
neem je het gemiddelde van deze bobbels
en dat geeft je je gemiddelde lijn.
Voor een normale huishoudspiegel
is de gemiddelde hoogte ongeveer 4000 siliciumatomen.
Maar voor Kinoshita's spiegels,
die niet alleen röntgenlicht moesten reflecteren,
dat een 100 keer kortere golflengte heeft,
maar ook de verstrooiing moesten minimaliseren,
weet je, zodat alle fotonen op de wafer terechtkomen,
moesten ze veel gladder zijn.
Ze moesten atomair glad zijn.
In feite kon de gemiddelde bobbel slechts
ongeveer 2,3 siliciumatomen dik zijn.
- Als een spiegel de grootte van Duitsland zou hebben,
zou de grootste bobbel ongeveer e en millimeter hoog zijn.
- [Casper] Maar Kinoshita weigerde op te geven.
- [Kinoshita] Mijn geloof veranderde echter niet.
- [Casper] En al snel zou hulp komen uit een onverwachte hoek.
- Aan de overkant van de Stille Oceaan,
ongeveer 70 kilometer ten oosten van San Francisco,
ligt het Lawrence Livermore National Laboratory,
een lab dat ontstond uit de Koude Oorlog,
zwaar gefinancierd door de Amerikaanse overheid,
en gebouwd voor één doel en één doel alleen:
kernwapens.
Het lab werd opgericht door de uitvinder van de Cyclotron,
Ernest Lawrence,
en de vader van de waterstofbom, Edward Teller.
En gedurende zijn bestaan ontwierpen ze
meer dan 10 kernkoppen van het fusie-type.
Dus een deel van hun onderzoek was gericht
op wat er gebeurt in kernfusiereacties.
Fusiereacties geven veel röntgenlicht vrij,
licht dat ze nooit hadden kunnen vangen en analyseren.
Maar nu, met behulp van die speciale multi-laag spiegels,
was er een kans.
- [Casper] Een van de wetenschappers die de taak had
om dit te laten werken, was Andrew Hawryluk.
En binnen een paar jaar
gebruikten hij en zijn team multi-laag spiegels om
wat 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 ontwikkeld hadden.
En hij keek me aan het eind van de dag aan en zei:
"Dit is allemaal heel interessant en netjes en zo,"
maar zijn woorden, en ik zal het me mijn hele leven herinneren, waren:
"Kun je iets nuttigs doen met dit spul?"
En dit was de dag voor een kerstsluiting in 1987.
En ik was zo geprikkeld door die opmerking
dat ik naar huis ging en de volgende 10 dagen
een witboek van meerdere pagina's schreef.
- [Casper] Hij paste deze spiegels toe op lithografie,
om chips te printen met röntgenstralen.
Ongeveer vijf maanden later presenteerde Andy zijn bevindingen
op een conferentie.
Maar net als bij Kinoshita was het niet de reactie
waar hij op hoopte.
- Het was extreem negatief.
Dat was het dieptepunt in mijn carrière.
Ik werd letterlijk uitgelachen op het podium.
En ik meen het, elke persoon voor wie ik bewondering had
in het veld,
luisterde naar mijn presentatie
en kwam naar de microfoon
en vertelde me eigenlijk waarom het niet zou werken,
wat voor dom idee het was.
Later die week vloog ik terug en de volgende maandag
vroeg mijn baas: "Hoe ging het?"
En ik keek hem aan en zei:
"Ik zal er nooit meer over spreken."
(vrolijke muziek)
- [Casper] Maar toen, drie dagen later,
kreeg hij een telefoontje van iemand genaamd Bill Brinkman
van Bell Labs.
- [Andy] En dus liep ik naar mijn baas en zei:
"Net een telefoontje gehad van een man genaamd Bill Brinkman.
Weet jij wie dat is?"
En de ogen van mijn baas werden groot en hij zei:
"Ja, dat is de uitvoerend vice-president van AT&T."
En ik zei: "Nou, hij belde me net
en vroeg me om naar New Jersey te vliegen en een presentatie te geven."
De reactie van mijn baas zei genoeg.
Hij zei eigenlijk: "Nou, dan moet je gaan."
- [Casper] Bij Bell Labs vond Andy medegelovigen
en het kon niet op een beter moment komen.
Gedurende de afgelopen 30 jaar
had de Amerikaanse overheid geïnvesteerd
in nationale laboratoria om het technologische
voordeel van het land tijdens de Koude Oorlog te behouden.
Maar tegen het einde van de jaren tachtig
liep de Koude Oorlog op zijn eind
en zaten al deze labs met onderzoek
dat commercieel potentieel had.
Dus moedigde de overheid de labs 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 leveren.
En dus ging Bell Labs een partnerschap aan met Andy's lab en twee anderen
om röntgenlithografie verder te ontwikkelen.
En tegen 1993
werd de eerste internationale conferentie voor röntgenlithografie
gehouden in Japan, bij de Mount Fuji.
In de openingsrede zei Kinoshita
dat, "Zolang we het verlangen niet verliezen
dat vanuit onszelf is ontstaan,
zal de technologie gestaag vooruitgaan
van micro naar nano naar pico."
Ze gaven de technologie zelfs een nieuwe naam,
extreme ultraviolet lithografie,
of gewoon EUV.
- Maar toen, in 1996,
trok de Amerikaanse overheid de financiering voor het project in.
Dit betekende een ramp voor de grote chipbedrijven zoals Intel.
De industrie schatte in
dat de 193 nanometer lithografiemachines uit
achter de Wet van Moore aan in 2005,
maar er waren geen andere alternatieven.
Dus Intel, Motorola, AMD en andere bedrijven gingen samenwerken
en investeerden $250 miljoen om het gaande te houden,
waardoor het de grootste investering ooit werd
door de particuliere industrie
in een onderzoeksproject van het Department of Energy.
Tegen het jaar 2000 hadden de labs dit geproduceerd,
de Engineering Test Stand.
Het was het eerste volledig functionerende EUV-prototype.
Het produceerde 9,8 watt 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 details printen
en het bewees dat EUV kon werken.
- Het was een mijlpaal om
de Engineering Test Stand aan de praat te krijgen.
Het toonde mensen zoals Intel aan
dat, weet je, goede techniek ons daar zal brengen.
- En dan lijkt het alsof je het prototype hebt,
zou het daarna niet al te moeilijk moeten zijn om het te commercialiseren.
- Dat dachten zij ook.
(Andy en Casper lachen)
- Maar het prototype had een groot gebrek.
Het kon slechts ongeveer 10 wafers per uur printen.
En om EUV economisch haalbaar te maken,
zou het honderden wafers per uur moeten printen,
24/7, 365 dagen per jaar.
De voornaamste reden dat de output zo traag was,
was omdat het licht werd gereflecteerd door acht spiegels
en het reticule,
dat ook een spiegel is, alleen met het ontwerp erin geïmprimeerd.
Traditionele maskers die licht doorlaten
werken niet omdat, tja, ze al het licht absorberen.
Elke spiegel had een reflectiviteit van ongeveer 70%,
wat bijna het maximum is,
maar na negen weerkaatsingen,
heb je nog maar 4% van het licht over,
wat betekent dat van elke 100 fotonen,
er slechts vier de wafer bereiken.
Dus je zou kunnen denken, gebruik gewoon veel minder spiegels,
maar dat werkt maar tot op zekere hoogte.
Wanneer je licht focust met elk optisch systeem, 544 00:20:96,010 --> 00:20:98,140 krijg je altijd wat vervorming. 545 00:20:98,140 --> 00:21:00,570 Bijvoorbeeld, stralen die door de buitenste randen
van de meeste lenzen gaan, focussen licht iets anders
dan die nabij het centrum.
Dit wordt sferische aberratie genoemd.
En normale camera's corrigeren hiervoor
en andere aberraties door meerdere lenzen te gebruiken.
En een spiegelstelsel is niet anders.
- Je moet een bepaald aantal spiegels hebben
voordat je kunt zeggen dat je de aberraties onder controle hebt.
In werkelijkheid hebben de systemen van vandaag zes spiegels.
- Dat helpt een beetje.
Maar na reflectie op zes spiegels en het reticule,
heb je nog maar ongeveer 8% van je licht over.
Dus ze moesten drastisch het vermogen van de bron verhogen
tot minstens 100 watt.
Voor de meeste bedrijven
leek die tienvoudige toename onmogelijk.
Zelfs mensen die aan de Engineering Test Stand werkten, merkten op
dat hoewel EUV-technologie op zich een uitgemaakte zaak was,
er zes zillion technische uitdagingen waren
om het een fabrieksrealiteit te maken.
En dus stapten ze één voor één,
Amerikaanse bedrijven weg
van de ontwikkeling van een volledige EUV-lithografiemachine.
Dat liet slechts één bedrijf over, ASML.
ASML, wat vroeger stond voor
Advanced Semiconductor Materials Lithography,
is gevestigd in een klein, onopvallend stadje in Nederland.
Het splitste zich in de jaren '80 af van Philips
met niet veel meer dan een schuur
en een nauwelijks werkende waferstepper op zijn naam.
Maar Philips gaf hen ook mensen,
Jos Benschop, ASML's eerste onderzoeker,
en Martin van den Brink,
die uiteindelijk ASML's CTO zou worden,
en EUV's grootste kampioen.
- En hij is echt als de Steve Jobs van lithografie.
En hij zag EUV aankomen.
- ASML was eerder toegetreden tot het Amerikaanse EUV-consortium
en nu werd het hun taak om een manier te vinden
om EUV te commercialiseren.
Ze zouden samenwerken met hun Duitse partner, Zeiss,
waarbij Zeiss zou zorgen voor de spiegels,
en ASML zich zou richten op de lichtbron.
Een van de eerste beslissingen bij het maken
van elk lithografiesysteem is beslissen welke golflengte te gebruiken.
- In de begindagen werd alles tussen
vijf en 14 nanometer onderzocht.
Het punt is dat je een bron moet vinden
en je moet optica vinden die
de golflengtes reflecteert. - Juist.
- Dus je moet naar de combinatie zoeken.
- Underwood en Barbee hadden al
spiegels gemaakt die licht van ongeveer vier nanometer konden reflecteren.
En aangezien die golflengte zo klein is,
lijkt het de logische keuze,
maar de maximale reflectiviteit voor die spiegels was
slechts ongeveer 20%.
Dus na zes spiegels en het reticule,
heb je nog maar 0,00128% van het licht over,
wat veel te laag is.
Gelukkig keken verdere onderzoekers ook naar
twee andere paren,
silicium en molybdeen,
die een theoretische maximale reflectiviteit van 70% hadden
voor golflengtes rond 13 nanometer,
en molybdeen en beryllium
met een theoretische maximale reflectiviteit van 80%
voor golflengtes rond 11 nanometer.
Dus de keuze leek logisch, toch?
Ik bedoel, kies de kortere golflengte
en de hogere reflectiviteit.
Maar het blijkt dat beryllium extreem giftig is
en het is ook moeilijk te hanteren.
Dus wetenschappers concentreerden zich in plaats daarvan op silicium en molybdeen.
Om de spiegels te maken, gebruikte Zeiss een proces genaamd 'sputteren'.
Een target van coatingmateriaal wordt
gebombardeerd met plasma of ionen,
waardoor atomen worden uitgestoten, wegvliegen
en aan de spiegel blijven plakken.
Dit is een rommelig proces,
dus de lagen krijgen uiteindelijk bultjes en gaten.
- Er was een leuke truc die eigenlijk
het team in Nederland perfectioneerde met een ionenbundel.
Je schudt het een beetje
totdat het atoom in het gat valt waar het moet zijn
en dan is het allemaal vlak.
- [Casper] Met het spiegelontwerp vastgelegd,
had ASML een bron nodig voor die specifieke golflengte.
- Dus het was 13.x. - Ja.
- Oké, nu de volgende goede vraag: wat is de x?
Nu zoek je naar de bron.
Er zijn in principe drie manieren om EUV te genereren,
om een zon op Aarde te bouwen.
- [Casper] De eerste methode die vroege onderzoekers gebruikten
was de Synchrotron,
maar die werd snel afgeschreven
omdat elke machine zijn eigen bron nodig had.
De andere twee methoden zijn gebaseerd op hetzelfde principe.
Wanneer een elektron recombineert met een ion,
valt het ion naar een lager energieniveau
en geeft het die overtollige energie af als een foton.
En als je het ion precies goed kiest,
dan zal dat foton precies de golflengte hebben die je nodig hebt.
Nu, er zijn twee manieren waarop je die ionen kunt creëren.
De eerste is dat je een metaal neemt,
het verhit tot je een metalen damp krijgt,
en dan breng je een sterk elektrisch veld erover aan.
Hierdoor slaan vrije elektronen tegen nabije atomen
en ioniseren ze ze.
Als je dan het elektrische veld uitzet,
recombineren de elektronen met de ionen en produceren ze licht.
Dit is door ontlading geproduceerd plasma.
- [Jos] Dat is het concept dat we eerst gebruikten.
- [Casper] Ja. - Vanwege de relatieve
eenvoud ervan.
En we kregen het snel op een paar watt.
We wilden 100 watt bereiken en we worstelden eindeloos.
- Dus je kon het niet opschalen.
- We konden het niet opschalen.
- Ze hadden een drastische verandering nodig.
Dus schakelden ze over naar de tweede methode.
Deze methode gebruikt een krachtige laser
om een doelmateriaal te raken,
waardoor een plasma ontstaat
dat meer dan 220.000 graden Celsius heet is.
De elektronen hebben zoveel energie
dat de kern ze niet meer vast kan houden,
en tot wel 14 elektronen ontsnappen uit hun banen.
Nadat de laser uitgaat,
recombineren de elektronen en ionen om licht te produceren.
Dit is door laser geproduceerd plasma
en het was de enige methode die schaalbaar leek.
In feite was dit dezelfde methode
die de Engineering Test Stand gebruikte,
een 1.700 watt laser afgevuurd op een stroom xenongas
om 13,4 nanometer licht te produceren.
Maar xenon had een groot probleem.
De conversie-efficiëntie, dat is
de verhouding van bruikbaar licht
tot de hoeveelheid vermogen die je erin stopt, was verschrikkelijk.
Het was slechts ongeveer 0,5%.
Dat komt omdat hoewel xenon wel licht uitzendt
in het 13 tot 14 nanometer bereik,
wordt er veel meer licht uitgezonden rond 11 nanometer.
Dus het meeste van de energie ging zitten in het maken van licht
dat de spiegels niet konden reflecteren.
Bovendien ioniseerde de laser niet alle atomen.
Dus, overgebleven neutrale xenonatomen zouden
een deel van dat 13,4 nanometer licht sterk opnieuw absorberen.
Dus ASML begon te kijken naar een ander materiaal, tin.
Tin heeft een veel hogere emissiepiek,
rond 13,5 nanometer,
wat resulteert in een vijf tot 10 keer hogere
conversie-efficiëntie dan xenon.
Maar net als xenon absorberen neutrale tinatomen ook
EUV-licht.
Dus kwamen ze met een gek idee,
om één klein tinnen druppeltje per keer af te vuren.
Maar om het benodigde vermogen te krijgen,
zou je duizenden druppels per seconde
moeten maken en raken,
die allemaal exact dezelfde vorm en grootte moeten hebben.
Maar het blijkt dat je niet direct
duizenden tinnen druppels kunt maken die precies gelijk zijn.
Dus vonden ze een oplossing.
Om de druppels te maken, wordt extreem zuiver tin gesmolten
en door een microscopisch kleine tuit geduwd
door hoogdruk stikstof.
Deze tuit trilt op een hoge frequentie,
waardoor de straal in kleine druppeltjes uiteenvalt.
Deze druppels verschillen in grootte, vorm,
snelheid en afstand,
en het hele proces is chaotisch.
- Dat is ons geheime ingrediënt,
hoe moduleer je die tin-straal
zodat het de druppels vormt die we willen
en dat ze stabiel zijn?
- Ik denk dat we een artikel vonden dat dit proces beschrijft
en het was een openbaring voor me
dat het lijkt alsof alle druppels
eigenlijk onregelmatig uit de tuit komen,
maar dan voordat ze de plek bereiken
waar ze door de laser worden geraakt,
dat de kleine onregelmatige druppels samenkomen
om deze perfect gescheiden,
perfect regelmatige druppels te vormen
die ongeveer dezelfde grootte en vorm hebben
en allemaal met dezelfde snelheid reizen.
Dat voelt als magie voor mij, Jayson.
- Ja, precies dat.
Het is: hoe neem je een lange tin-straal
die wil uiteenvallen in al deze onregelmatige druppels
en dwing je hem
om in één druppel in te storten
en dan steeds weer opnieuw?
- [Casper] Je hebt ook niet zoveel variabelen
om mee te spelen.
Je hebt de druk
waarmee je het tin uitduwt
en de frequentie van de tuit.
Ja, het lijkt een moeilijk op te lossen probleem.
- Er zijn niet veel variabelen om mee te spelen.
En dus is het beheersen van die modulatie van de straal
hoe we de druppels maken.
- [Casper] Maar deze druppels moeten niet alleen identiek zijn,
ze moeten ook ongelooflijk snel bewegen.
- Wat er gebeurt is dat als de volgende druppel
die onderweg is te dichtbij is,
hij dan verstoord raakt
en het volgende plasma-gebeuren verpest.
Dus we hebben een eis
dat we 50.000 druppels per seconde maken,
maar ook dat ze extreem snel reizen.
- [Casper] Tegen 2011 had hun door laser geproduceerde plasmakrachtbron
11 watt bereikt,
wat meer dan het dubbele was van wat ze haalden
met hun vorige bron.
Maar ze waren nog steeds beperkt tot slechts vijf wafers per uur.
Dus moesten ze het vermogen snel verhogen,
omdat ze hadden beloofd 60 wafers per uur te halen
eind 2011.
Helaas had deze nieuwe methode een groot nadeel.
- Nu is het probleem met het tinkwestie, je raakt de druppel,
je genereert EUV met een zeer behoorlijk conversierendement.
Waar gaat het tin heen?
Want, weet je, 30 centimeter verderop,
heb je dit atomair vlakke,
heel mooie, heel dure spiegel
van onze vrienden bij Zeiss. - [Casper] Ja.
- En in de begindagen,
bedekten we dat ding met tin.
(Jos knipt met vingers)
Zo. - Deze machines moeten
een jaar lang draaien.
Je laat liters tin door deze plasmagebeurtenis gaan
en een enkele nanometer tin,
als die op die collectorspiegel zou landen,
zou je de collector uit gebruik moeten nemen.
We moeten hem bijna perfect schoon houden voor een jaar.
- Ja, hoe pak je dat zelfs aan?
- Ons belangrijkste gereedschap hier is eigenlijk het waterstofgas.
- [Casper] Ze vullen de kamer
met waterstof onder lage druk.
Dit vertraagt en koelt de tin-deeltjes af.
En zelfs als iets bij de collector komt,
trekt het waterstof het eraf om een gas genaamd stannaan te vormen.
Zo reinigt de machine de collectors
terwijl hij draait,
maar dat waterstofgas wordt ook heet
door al die tin-explosies.
Dus moeten ze nieuw, koeler waterstof blijven inblazen
in het systeem terwijl ze het stannaan
en hetere gas eruit blazen.
Maar ze moeten de druk en de stroomsnelheid
precies goed krijgen.
Ik bedoel, te weinig waterstof
en de spiegels worden te vuil,
maar te veel waterstof zou niet alleen
te veel EUV-licht absorberen,
maar zou ook zorgen dat het systeem oververhit raakt.
- De vraag is: hoeveel warmte is daar?
Hoeveel energie wordt er in het gas gedeponeerd?
En we waren geruime tijd verbijsterd.
Als je naar een EUV-lichtbron kijkt,
zie je dat het een soort bol is
van paarsachtig rood licht
en je vraagt je af: waarom gebeurt dat?
Dus kochten we een ultra-snelle camera.
Wat we ons realiseerden is dat na elke plasmagebeurtenis,
er een schokgolf is die
zich voortplant in het waterstofgas
en dat is extreem herhaalbaar.
En je denkt bij jezelf,
hier moet een verklaring voor zijn.
En er is deze formule,
de Taylor-von Neumann-Sedov formule die
puntbron-explosies in een omgeving verklaart,
van bijvoorbeeld een nucleaire explosie tot een supernova.
Dus nam ik deze formule,
het beschrijft de data exact.
Het is gewoon fantastisch dat we
deze kleine supernova's zien gebeuren
in ons vat, 50.000 keer per seconde.
- En is dat een eerlijke manier om hierover na te denken,
het creëren van mini-supernova's?
- Ja, het is eigenlijk vrij vergelijkbaar.
Het lijkt bijna op een,
type 1A supernova, zo blijkt,
waarbij je een object hebt
dat volledig verdampt en uiteen explodeert.
En als al die energie in het waterstofgas gaat,
produceert het een schokgolf, een drukgolf
die naar buiten vliegt,
wat eigenlijk hetzelfde is.
Als je naar de nachtelijke hemel kijkt,
zie je deze overblijfselen van supernova's
die je uit de ruimte kunt zien komen.
- [Casper] Met behulp van die energieberekeningen,
ontdekten ze dat ze het waterstof
op ongelooflijk hoge snelheden moesten doorspoelen,
ongeveer 360 kilometer per uur.
Dat is meer dan een orkaan van categorie 5,
ook al, weet je, zijn die snelheden bij lage dichtheid.
Maar 2012 kwam en ging
en ze hadden nog steeds niet genoeg vermogen.
In feite bereikte ASML pas in 2013 50 watt
door 50.000 tinnen druppels per seconde af te vuren.
Maar dit verhoogde vermogen kwam met een prijs
want meer vermogen betekent meer warmte,
warmte die ervoor zorgt dat de spiegels enigszins verschuiven,
wat resulteert in verkeerd uitgelicht licht en verkeerd uitgelichte chip-lagen.
Dus bouwde Zeiss een zenuwstelsel
direct in de optiek,
robotgestuurde sensoren die constant
de exacte positie en hoek van elke spiegel meten
tot op de nanometer en de pico-radiaal,
wat absoluut krankzinnig is.
- Dus hoe nauwkeurig moeten we deze spiegel besturen?
Een van de dingen die je kunt doen is een gedachtenexperiment.
- [Casper] Oké. - En ik kan
een klein laser aan de zijkant van deze spiegel plaatsen.
Dan gaan we helemaal naar de Maan
en we plaatsen hier een dubbeltje.
Dan reist dit licht
helemaal hierheen en met de nauwkeurigheid
waarmee ik deze spiegel kan besturen.
- Ja. - Kan ik bepalen
of ik naar deze kant van het dubbeltje wijs
of ik wijs... - Dat is krankzinnig.
- Naar deze kant van het dubbeltje.
- Wat, dat is gek.
- Je kunt zien dat de richtnauwkeurigheid
ook in pico-radialen is.
Dat is iets heel extreems.
- Dit stelde hen in staat het licht te beheersen
zelfs toen het vermogen toenam.
Terwijl Zeiss uitstekend werk leverde met de optiek,
had ASML nog steeds moeite met de stroombron.
Het probleem was dat de tinnen druppels te dicht waren,
waardoor het meeste uitgezonden EUV-licht
nog steeds werd geabsorbeerd
door de neutrale atomen voordat het ooit
de collectorspiegel kon bereiken.
- De manier waarop we de druppel bliezen was
te weinig licht, te veel puin.
- Om het erger te maken,
konden ze zien dat over ongeveer 10 jaar,
ze een nieuwe generatie machine nodig zouden hebben,
een hoge NA EUV-machine,
in wezen een met een groter optisch systeem
dat kleinere structuren kon printen.
Dus wat deden ze?
Ze besloten dubbel in te zetten en te investeren
in de volgende generatie
voordat ze de huidige zelfs aan de praat hadden.
- De meest twijfelachtige periode was in het begin.
Ik ben hier in 2012 aan begonnen te werken.
Op dat moment werkte EUV niet
en er was die gekke idioot
die aan de volgende generatie werkte
waarbij we niet eens
het EUV-licht konden maken.
- Je gaat niet alleen volledig voor EUV,
je verdubbelt de inzet nog voordat je weet
of EUV gaat werken. - Ja, ja.
- Maar om de ontwikkeling te blijven financieren,
hadden ze geld nodig, en veel ook.
Dus wendden ze zich tot de mensen die deze technologie
nodig hadden.
- ASML benaderde zijn belangrijkste klanten,
"Oké, jullie willen deze technologie
voor de volgende generatie chips?
Nou, dan moeten jullie ons in staat stellen
om meer te investeren door in ons te investeren."
- Intel investeerde ongeveer $4,1 miljard
en Samsung en TSMC investeerden samen nog eens 1,3 miljard.
Zo konden ze het onderzoek voortzetten,
maar zonder product om te tonen,
begon het geduld van de klanten op te raken.
- We werden op elke conferentie gekruisigd
omdat we de beloftes van vorig jaar
niet waar hadden kunnen maken.
- Ja. - En ze zeiden:
"Dit lieten jullie twee jaar geleden zien.
Dit lieten jullie vorig jaar zien
en dit vertellen jullie me dit jaar.
Dus waarom zou ik jullie geloven?"
- Ze werden wanhopig.
- Maar dit was, denk ik, rond 2012 of '13,
we worstelden om het EUV- vermogen omhoog te krijgen
en Kinoshita bezocht ons.
Ik nam hem mee uit eten in een stadje hier in de buurt
en tegenover het restaurant stond een Maria-kapel.
En nu, weet je, wetenschap,
we zijn bij de grenzen van de wetenschap gekomen.
Hé, laten we voor Goddelijke interventie gaan.
Dus we gingen naar de kapel,
en Kinoshita stak, voor de zekerheid, drie kaarsen aan
voor de drie leveranciers die toen EUV-technologie
nastreefden
En kijk eens aan, en ik heb de data om het te bewijzen,
er is een heel sterke correlatie
tussen het aansteken van de kaars en het stijgen van het vermogen.
Het is geen causaal verband, maar er is een sterke correlatie.
- Het grote idee was: in plaats van de druppel één keer te raken,
raak hem twee keer.
- [Jos] Eén schot om de druppel te raken
en hij zet uit in een soort pannenkoekvorm.
- [Casper] Jep. - En dan,
pas dan het tweede schot,
de krachtigere hoofd-puls
waarbij je de pannenkoek verdampt
en verandert in een plasma.
- [Casper] Ja. - Dit was
een grote doorbraak.
- [Casper] 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 extra puin of neutrale atomen
omdat het tin nu in één keer wordt verdampt.
Tegen 2014 slaagden ze er eindelijk in
de felbegeerde 100 watt te halen.
Maar verbeteringen in multi patterning
met 193 nanometer
betekenden nu dat EUV alleen nuttig zou zijn
als de bron minstens 200 watt haalde
en 125 wafers per uur produceerde.
- De bron ging van 100 naar 200,
maar de industrie schreed voort, niemand wacht op je.
Weet je, ze vinden andere oplossingen.
Wij moesten bijbenen.
Het was dus een bewegend doelwit.
- Een van de problemen was: hoe timen ze perfect
de laser om elk van deze druppels te raken?
- De analogie is een beetje als een golfbal
die je 200 meter verderop in de hole moet laten landen,
niet op de green landen,
niet stuiteren en in de hole gaan,
maar elke keer in de hole landen.
Dat is het precisieniveau dat we nodig hebben
om de druppels af te leveren.
Die druppels bewegen zich
door deze maalstroom van waterstofstroom.
De snelheden zijn enorm hoog,
als golfballen door een tornado schieten,
en precies als hij bij de hole landt,
moet hij geraakt worden door de laser.
Dus om de druppels daarvoor te volgen,
gebruiken we laser gordijnen en kunnen we als het ware zien
wanneer een druppel door een laser gordijn gaat.
Die verstrooide fotonen vertellen ons waar en wanneer
de druppel is,
en vertellen ons vooral wanneer de laser moet vuren.
We moeten dus rekening houden met
hoe lang het duurt voordat de lichtpuls de druppel raakt
nadat we de puls hebben afgevuurd.
- Nu, rond 2015,
kwamen ze steeds dichterbij
dat felbegeerde 200 watt merk,
toen plotseling de bestuursleden van ASML werden ontboden.
- Dit was een van die beslissende momenten
waarop het geduld van onze klanten heel dun was geworden
en Martin en alle bestuursleden werden
ontboden naar Korea om
200 watt te tonen en ze waren het echt helemaal zat.
Weet je, of je toont het nu, of je gaat weg.
En toen ze het vliegtuig ingingen,
liep het experiment nog.
- [Casper] Oké. - Toen ze uit
het vliegtuig stapten,
hadden ze het eerste resultaat dat 200 watt aantoonde.
Zo dichtbij waren we.
- Met het bronvermogen omhoog,
was er nog een laatste probleem dat opgelost moest worden
voordat ze konden beginnen met de productie van hun machine.
Want hoewel het waterstofgas
de collectorspiegel beschermde tegen puin,
was het niet perfect.
Alle intense, hoogenergetische fotonen
en waterstofionen die rondvliegen
verzwakten een zeer speciale topcoating op de collector.
Dus moesten ze de spiegels nog steeds elke 10 uur schoonmaken,
wat, weet je, vreselijk is voor de productiviteit.
Martin van den Brink vroeg elke dag om updates
over hun voortgang.
Maar toen merkte een van de ingenieurs op
dat elke keer dat ze de machine openden,
de spiegels opeens schoner leken.
- Hij viel binnen en zei:
"O, wacht even.
Telkens als we de machine openden,
komt er zuurstof binnen en is ons probleem opgelost.
Kunnen we niet bedenken hoe we
een beetje zuurstof aan ons systeem toevoegen
en ervoor zorgen dat de collector langer schoon blijft?"
En dus begonnen ze te experimenteren
met de hoeveelheid zuurstof die nodig was
in het vacuüm en kwamen uiteindelijk tot het punt,
oké, als we zoveel zuurstof toevoegen,
blijft de collector langer schoon.
- Met deze oplossing kon ASML's machine
veel langer ononderbroken draaien en werd hij eindelijk
commercieel levensvatbaar.
Tegen 2016 begonnen de bestellingen binnen te stromen
en nu hebben alle geavanceerdste chips
ASML's machine nodig,
wat hen misschien het belangrijkste
techbedrijf ter wereld maakt.
ASML's eerste commerciële machines hadden
een numerieke apertuur van 0,33
en konden lijnen van 13 nanometer printen.
Dit worden de lage NA-machines genoemd
en ASML maakt ze nog steeds.
Maar de machine waar Jan's team in 2012 aan begon te werken
was de volgende generatie,
die een groter optisch systeem had
zodat ze nog kleinere structuren konden printen.
Dit is de hoge NA-machine
met een numerieke apertuur van 0,55,
en we mogen hun nieuwste versie van dichtbij bekijken.
- Hoeveel kost de machine?
- We zeggen altijd: meer dan 350 miljoen euro.
- En je kunt hem echt kopen, toch?
- Je kunt hem kopen als je wilt, ja.
- Als ik het geld had, kon ik hem kopen?
- Ja, dat kon je.
- Hoeveel mensen hebben dit eerder gezien?
- We beperken echt het aantal mensen
dat de cleanroom in mag.
- [Casper] ASML's machines worden gebouwd
in een super strenge cleanroom.
In elke kubieke meter mogen niet meer dan 10 deeltjes zitten,
slechts 0,1 micron groot,
en niets groter dan dat.
Een stuifmeelkorrel is ongeveer 20 micron
en extreem fijn zand is ongeveer 10 micron.
Om dit in perspectief te plaatsen:
ziekenhuis operatiekamers,
die extreem schoon moeten zijn,
staan maximaal 10.000 deeltjes per kubieke meter toe
die 0,1 micron breed zijn.
Het is zo oneerlijk hoeveel beter Marc eruit ziet, trouwens
in zijn lichtpak.
Ik voel me een kleine Smurf.
- Oké, dus we gaan door de lucht douches,
dus je moet doen wat ik doe.
- [Casper] Oké.
Dus dit veegt alle deeltjes weg
die nog op ons zitten.
- [Marc] Ja, dit is super schone lucht
die ons schoon blaast.
- [Casper] Deze plek is enorm.
- [Marc] Hij is enorm. - [Casper] Het is krankzinnig.
Ik ben eerder een paar keer in een cleanroom geweest,
maar dat valt in het niet bij dit.
Zijn hier geheime ruimtes
waar bijna niemand toegang toe heeft?
- [Marc] Dat mag ik niet zeggen.
(Casper lacht)
- [Casper] Prima antwoord.
- [Marc] Oké, dus dit is het totale systeem.
- [Casper] Dit is te gek.
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 gekost,
vele miljarden dollars,
alleen maar om deze enorme schoonheid te krijgen.
Dus dit is de eerste hoge NA-machine.
- [Marc] Ja.
Dus als je foto's hebt gezien op het internet of zo,
dan is dat deze machine.
Dus de allereerste lijnen ooit geprint op acht nanometer
en zo, dat was deze machine.
- [Casper] Het gladste object op aarde.
- [Marc] Ja, het zit allemaal hierin, ja.
- [Casper] Wacht, laat me kijken of ik dit kan volgen.
Dit is de lichtbron.
Hier maken ze het extreme ultraviolet.
- [Marc] Ja.
- [Casper] En dan komt de laser vast van daar binnen.
- [Marc] Ja, laten we eens naar de laser kijken.
- [Casper] Sterker nog, we hebben gezien
hoe de laser en lichtbron precies werken.
Ik denk dat we hier het lasersysteem binnenkomen.
Marc controleert gewoon denk ik
of we hier wel mogen filmen,
dat we niets vastleggen wat niet mag.
Oh wow, dit ziet er gevaarlijk uit.
Nu is het lasersysteem bedekt
door al deze bruine kasten,
maar hier is een modelversie.
Een koolstofdioxidelaser van een paar watt komt binnen
in deze versterker waar hij rondkaatst
totdat hij ongeveer vijf keer zijn oorspronkelijke vermogen heeft.
Hij gaat dan door in totaal vier verschillende versterkers
om de uiteindelijke laser op 20.000 watt te brengen,
wat vier keer sterker is dan lasers die staal
doorsnijden.
- Hier hebben we de versterkers die deze
krachtige laserstraal genereren.
En dan komt hij er in feite uit
en dit is deel van het straaltransportsysteem
waarmee hij naar de machine wordt gebracht.
Dus in deze pijp hier zit de grote laserstraal.
- En hier zit een spiegel. - [Marc] Ja.
- [Casper] Dan reizen de pulsen
naar de lichtbronmodule.
Het lijkt een beetje op een Transformer
of op een, ik weet niet, een ruimteschip.
Er lopen zoveel draden alle kanten op.
- [Marc] Dit niet aanraken.
- [Casper] Mijn god.
Dit is best groot, hè?
Dit is krankzinnig.
- [Marc] En dit is alleen maar de lichtbron.
- [Casper] Dit is alleen maar een lichtbron.
Krijg je dit vergelijkingsshot?
- [Marc] En je hebt dit allemaal nodig alleen maar om EUV-licht te maken.
- [Casper] Alleen om het licht te maken, dat is ongelooflijk.
Kunnen we een rondje lopen?
- [Marc] We kunnen een klein rondje lopen.
- Kom op.
- Dit is dus in feite het hart van de bron.
- [Casper] Mag ik hierop gaan staan?
- [Marc] Als je onder de 137 bent, mag dat.
- [Casper] Dat denk ik, ik denk van wel.
Woe.
En dus komen de tindruppels van links binnen.
- [Marc] Ja.
- [Casper] Dan schieten we de laser vanaf hier.
- [Marc] Ja.
- [Casper] Oké, hij explodeert.
- [Marc] En dan het licht.
- [Casper] Het licht gaat daar naar buiten.
Een verbetering van ASML's eerste EUV-machine
naar hun nieuwste is
het aantal pulsen dat de druppel raakt.
De eerste voorpuls maakt de druppel nog steeds plat
tot een pannenkoek,
maar nu is er ook een tweede voorpuls
die de dichtheid verder reduceert.
Het verandert het in feite in een gas met lage dichtheid,
het verdunt het.
En dan ioniseert de laatste puls uiteindelijk alles.
Dus voor vrijwel hetzelfde vermogen van de aandrijflaser,
krijgen ze nog meer EUV-licht.
Als ze nu nog meer licht willen,
dan kan dat alleen maar
door meer druppels te raken.
En dat is precies wat ze deden.
- Onze meest recente EUV-lichtbronnen
die we nu leveren,
die rond het 500 watt niveau zitten,
hebben we de rep-rate verhoogd tot 60.000 keer per seconde.
En we hebben een roadmap die gaat
naar 100.000 druppels per seconde.
We hebben dit nu zelfs al gedemonstreerd
die 100.000 druppels per seconde in het lab.
Het is dus niet of, maar wanneer.
- Waanzinnig.
- [Marc] De drie pulsen die we gebruiken om
de pannenkoek te maken, om de pannenkoek een beetje op te blazen
en dan om de pannenkoek te verdampen.
- [Casper] Ja.
- De eerste twee pulsen,
die zouden binnenkomen via deze pijp hier
en dan de hoofd puls met de grote laser,
de laserstraal zou worden afgeleverd via deze pijp hier.
- [Casper] Zowel de high als low NA machine
die nu worden geleverd gebruiken drie pulsen
en uiteindelijk zullen ze meer druppels per seconde raken.
Maar de lichtbron is maar een klein onderdeel
van de volledige machine.
Na het weerkaatsen van de collectormirror,
gaat het EUV-licht naar de illuminator.
Een set spiegels vormt en focust het licht
voordat het het reticle raakt.
Het reticle is de bovenste helft
en deze module is gebouwd in een aparte faciliteit
en later geïnstalleerd.
Vervolgens gaat het licht naar de projectie-optiekdoos,
een set spiegels die het licht verkleinen.
De high NA machine kan het patroon verkleinen
acht keer in de verticale richting
en vier keer in de horizontale richting.
De spiegels zijn ook nog veel gladder.
Als de spiegels van de low NA zo groot waren als Duitsland,
dan zou de hoogste bult ongeveer een millimeter zijn.
Maar als de high NA spiegels zo groot waren als de wereld,
dan zou de hoogste bult
ongeveer de dikte van een speelkaart zijn.
Door de combinatie van beide verbeteringen,
kon ASML de numerieke apertuur vergroten
van 0.33 naar 0.55.
En uiteindelijk raakt het licht de wafer.
Om ongeveer 185 wafers per uur te printen,
zwaait het reticle heen en weer
met acceleraties van meer dan 20 G.
Dat is meer dan vijf keer de acceleratie
van een Formule 1 auto.
En dit is wat echt beeldmateriaal
van hoe dat eruit ziet in deze machine.
En let op: dit is niet versneld.
Maar het waanzinnige aan deze machine vind ik
niet hoe snel het reticle beweegt
of zelfs hoe klein het kan printen,
maar hoe ongelooflijk nauwkeurig het moet zijn.
Het maximale wat twee lagen kunnen afwijken,
wat de overlay wordt genoemd, is één nanometer.
Dat is een precisie van vijf verdomde siliciumatomen.
Dat is krankzinnig.
- Wat wij typisch doen als systeemingenieurs is
dat we een budget maken. - [Casper] Ja.
- We zeggen, hé, je krijgt, laten we zeggen een nanometer
en we verdelen dan de nanometers
in kleinere fracties. - Juist,
de nanometers totaal.
Het is niet zo dat jouw groep een nanometer krijgt.
- Jij krijgt een nanometer, jij krijgt, nee, nee.
Je krijgt in totaal een nanometer, ja.
- [Casper] Dus je moet vechten voor het,
voor jouw deel van de nanometer.
- Het is best wel gaaf om te realiseren
dat tegenwoordig elke smartphone een chip heeft
die is gemaakt met de machine
die hier daadwerkelijk in elkaar is gezet.
Dat is wel cool.
- Moet je dit eens zien.
- [Marc] Best massief, hè?
- [Casper] Zo groot.
Dus dekken jullie het af?
- [Marc] Ja.
Bij een klantenfabriek ziet het eruit als een grote witte doos.
Ik vind het zo beter.
- [Casper] Ja, ik ook.
Het is grappig, je hebt zo'n grote machine nodig,
zo veel infrastructuur
om de kleinste dingen te maken die we op 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 verscheept te worden.
5.000 bedrijven leveren 100.000 onderdelen,
3000 kabels, 40.000 bouten
en twee kilometer aan slangen.
ASML verscheept hun high NA machine in 250 containers
verdeeld over 25 vrachtwagens
en zeven Boeing 747's.
Ondanks alle twijfel en tegenslag,
heeft EUV het uiteindelijk naar productieniveau gehaald
drie decennia na Kinoshita's eerste beelden.
Maar zelfs toen bijna de hele wereld niet geloofde
dat het zou werken,
waren er bij ASML mensen die wisten
dat het al in 2010 zou gaan werken.
- Rond 2001 zeiden we: laten we EUV doen.
En toen liepen we tegen veel uitdagingen aan.
In 2010 installeerden we het eerste systeem bij een klant.
Het was geïnstalleerd in Korea.
Daar stond het dan, dit ding waar ik naar had gezocht
voor, weet je, 13 jaar stond nu
bij een klant, wafers producerend.
Dit was voor mij een moment waarop ik besefte,
ja, we hebben de juiste gok gemaakt.
- [Casper] Jaren later liep Jos de man
tegen het lijf die hielp de eerste machine te installeren.
- Hij is nu professor aan een gerenommeerd instituut.
En ik deelde het verhaal over mijn opluchting
en hoe geweldig we de beslissing hadden genomen.
(vaag) zei hij: "Ja, ja, ja."
Hij zei: "Toen jij vertrok en na Kerstmis wegvloog,
ging het ding kapot en duurde het
twee maanden om het weer werkend te krijgen.
En ze waren me bijna ontslagen
voor het maken van de verkeerde beslissing."
We hebben wat ups en downs gehad onderweg.
- [Casper] Ja.
- Maar nogmaals, toen ik het systeem geïnstalleerd zag
bij een klant, in een klantenfabriek,
wist ik dat we het juiste hadden gedaan.
Dit was in 2010.
De eerste telefoon kwam uit in 2019.
Dus we hadden nog wat hordes op te lossen.
- [Casper] Juist.
- Maar we gingen door.
- Nu, ik heb enkele maanden
aan deze video gewerkt en erover nagedacht
en het voelt nog steeds volkomen onmogelijk.
En hoe meer ik erover nadenk,
hoe meer ik denk, weet je, die mensen 40 jaar geleden
die zeiden dat het onmogelijk was, die hadden een punt.
Het is volstrekt onredelijk om te denken
dat je deze kunstmatige zon in een lab kon maken,
dat je deze spiegels kon maken
die zo glad zijn
en dat je de vereiste overlaynauwkeurigheid kon bereiken.
Het redelijke is om te denken
dat dat allemaal onmogelijk is
en alle problemen bij elk ervan aan te wijzen.
Wat me doet denken aan deze quote,
de redelijke mens past zich aan de wereld aan.
De onredelijke blijft proberen
om de wereld aan zichzelf aan te passen.
Daarom hangt alle vooruitgang af
van de onredelijke mens.
Stel je voor als Andy en Kinoshita en alle anderen
redelijk waren geweest,
dan hadden we dit allemaal niet.
Sterker nog, stel je voor hoe de wereld eruit zou zien
als iedereen erop redelijk was.
Het zou waarschijnlijk extreem saai zijn.
Waarschijnlijk het grootste deel van de technologie,
de meeste dingen die je dagelijks geniet
zouden er niet zijn.
Sterker nog, je zou deze video
waarschijnlijk niet kijken,
want bijna alle technologie die we hebben
tegenwoordig zou volkomen onredelijk lijken
zelfs slechts 200 jaar geleden.
En dus denk ik echt dat we in grote mate
ons leven te danken hebben aan die onredelijke mensen.
En misschien is het voor mij in ieder geval
een herinnering dat het goed is om een beetje onredelijk te zijn,
ten minste in enkele grote delen van het leven.
De wereld veranderen is moeilijk.
Het kostte het overwinnen van duizenden obstakels
en meer dan 30 jaar om EUV werkend te krijgen.
Maar grote doorbraken beginnen meestal op dezelfde manier.
Dat wil zeggen, je leert, je verkent wat gerelateerde ideeën,
je probeert ze op nieuwe manieren toe te passen,
en dan bouw je vaardigheden op om
grotere en grotere uitdagingen aan te pakken.
Beetje bij beetje krijg je kennis
en dat is waar de sponsor van deze video, Brilliant, om de hoek komt kijken.
Brilliant helpt je te uitblinken
in wiskunde, wetenschap en informatica
met visueel, interactief leren
dat voor jou is gepersonaliseerd.
Het is een ongelooflijk krachtige manier om grote leerdoelen te bereiken,
zoals het beheersen van wiskunde op school
of bijdragen aan de volgende grote technologische doorbraak.
Op Brilliant leer je door te doen,
een methode waarvan onderzoek heeft aangetoond
dat ze veel effectiever is dan passief leren.
Het start je op het juiste niveau
op basis van je achtergrond, ontwerpt oefensets
en reviews die op jou zijn afgestemd.
En dan helpt het je vooruit te gaan in je eigen tempo.
Er is altijd iets nieuws te ontdekken op Brilliant.
Wil je optica beter begrijpen
na het kijken van deze video?
Nou, hun "Wetenschappelijk Denken" cursus is
een geweldige plek om te beginnen.
Het helpt je te denken als een ingenieur
door je te laten zien hoe je grote
concepten opbreekt in kleinere, meer begrijpelijke stukken.
Of je nu fundamentele wiskunde aanpakt,
algebra of calculus,
een duikt neemt in algoritmen,
materiaalwetenschappen verkent
of de natuurkunde begrijpt die ons verder zal brengen dan EUV,
Brilliant helpt je er te komen.
En als je, net als ik, het voornemen hebt meer te leren
in het Nieuwe Jaar,
dan is Brilliant een geweldige manier om dat voornemen
ook echt vol te houden.
Dus om gratis te leren,
ga naar brilliant.org/Veritasium,
scan de QR-code op het scherm,
of klik op de link in de beschrijving.
Brilliant geeft onze kijkers ook 20% korting
op een jaarlijks Premium abonnement,
wat je onbeperkte dagelijkse toegang geeft
tot alles op Brilliant.
Dus ik wil Brilliant bedanken voor het sponsoren van deze video
en ik wil jou bedanken voor het kijken.
Interactive Summary
Ask follow-up questions or revisit key timestamps.
Loading summary...
Recently Distilled
Videos recently processed by our community
