A Cuban mechanic, Juan Carlos Pino, modified his 1980 Polski Fiat to run on charcoal instead of gasoline, offering a cheaper alternative amid fuel shortages caused by US sanctions https://t.co/dr8jJyR4bE
✨ Inżynieria na poziomie atomów ⚛️, czyli jak Zeiss stworzył niemożliwy układ optyczny
Słów "kilka" o tym, jak działa najbardziej precyzyjny układ optyczny świata, który spotykamy w maszynach EUV od ASML. Poznajcie lustra 🪞 Zeissa, być może największą fosę dla skanerów ASML, fundament wartej setki bilionów dolarów branży . I w czym tkwią największe sekrety 🪄 Niemców.
"(...) Chropowatość powierzchni luster EUV wynosi około 50-100 pikometrów. Dla porównania, średnica pojedynczego atomu krzemu to około 200 pikometrów (0.2 nm). Oznacza to, że Zeiss poleruje te lustra z dokładnością do połowy średnicy pojedynczego atomu."
Kiedy ubolewamy nad postępującą utratą konkurencyjności przez Europę, wpisy takie jak poniższy mają za cel przypominać, że Zachód... umie w inżynierię. I to najbardziej skomplikowaną. Jest to wiedza i kompetencje, które mogą być bardzo cenne, a czasem niezbędne dla przyszłych wyzwań, w świecie szybkiego postępu technologicznego. A jednocześnie jest to coś, co powinno się bezwzględnie chronić przed próbami wykradzenia, skopiowania, bo te są podejmowane non-stop.
1⃣ O co chodzi? Po co ta optyka?
♦️ Krótko o litografii: skanery litograficzne, jak te od ASML, mają za zadanie nanieść na wafel krzemowy wzór układu scalonego, przenosząc na niego obraz znajdujący się na specjalnej masce fotolitograficznej. Te wzory wyznaczają, gdzie w chipie będą ścieżki elektryczne, tranzystory czy inne elementy.
♦️ Najpierw na płytkę nakłada się cienką warstwę światłoczułego materiału, zwanego fotorezystem. Następnie naświetla się to podłoże światłem, podobnie jak w fotografii analogowej. Miejsca oświetlone lub nieoświetlone zmieniają swoje właściwości, dzięki czemu można je selektywnie usunąć przy zastosowaniu odpowiedniej chemii i skomplikowanych maszyn.
W ten sposób na powierzchni zostaje precyzyjny wzór odpowiadający projektowi układ. A konkretnie jednej z jego warstw. Później te odsłonięte fragmenty krzemu są odpowiednio modyfikowane, żeby nadać im odpowiednie cechy elektryczne.
Cały proces powtarza się wiele razy, ponieważ zaawansowane układy scalone składają się z dziesiątek warstw. Można to porównać do budowy wielopiętrowego budynku, piętro po piętrze, tu warstwa po warstwie.
♦️ Im mniejsze i dokładniejsze wzory potrafi wykonać litografia, tym szybsze i bardziej energooszczędne są układy, czyli później procesory, karty pamięci itp.
‼️ I dla dalszego tekstu kluczowe jest to, że im krótsza będzie długość światła wykorzystywanego w owym skanerze do naświetlania, tym mniejsze detale będzie można "narysować" na waflu.
Im krótsza długość światła tym mniejsze i gęściej upakowane elementy można stworzyć na krzemie. Dzięki temu współczesne chipy mogą mieścić miliardy tranzystorów na powierzchni wielkości paznokcia. A to przekłada się na ich ogromną moc obliczeniową.
2⃣ Czas głębokiego ultrafioletu, DUV
♦️ Dla nas światło przestaje być widzialne dla długości fali poniżej 380 nm (jak i powyżej 740 nm). W branży półprzewodników do poziomu światła niewidzialnego zeszliśmy w latach 80., a od końca lat 90. używa się głębokiego ultrafioletu (DUV, deep UV) o długości fali 193 nm. W latach 2003-04 zaczęto natomiast stosować litografię immersyjną, dodając pomiędzy ostatnią soczewkę układu optycznego, a płytę krzemową... wodę (w specjalnej głowicy).
Ponieważ woda ma większy współczynnik załamania światła niż powietrze, to efektywnie ten zabieg poprawił rozdzielczość tak, jakbyśmy "efektywnie" mieli krótszą falę, konkretnie bliżej 140 nm, choć to ciągle było światło o faktycznej długości 193 nm. Zabieg z wodą wydłużył jednak "życie" DUV 193 nm o kolejne kilkanaście lat.
♦️ Sercem systemu DUV jest potężny, ważący ponad tonę obiektyw projekcyjny, w którym upakowano od 20 do 40 precyzyjnych soczewek. Ich zadaniem jest skupienie światła, ujednolicenie wiązki, a w końcu czterokrotne pomniejszenie wzoru z maski i skupienie wiązki na waflu. Technologia sprawdzona i dopracowana.
♦️ Systemy DUV ze światłem 193nm, tak w litografii immersyjnej, jak i suchej, są nadal bardzo szeroko stosowane w branży półprzewodników.
Ale w zakresie możliwości światła DUV doszliśmy już do limitu, po prostu w sensie fizyki. By utrzymać postęp miniaturyzacji szukanie kolejnych zaledwie półśrodków nie miało już większego sensu. Próby stworzenia systemu optycznego dla nieco tylko krótszej fali nie byłyby opłacalne ekonomicznie, bo ewentualnie wydłużyłoby to postęp w miniaturyzacji tylko o kilka lat, a koszty takich prac badawczych byłyby niewspółmiernie wysokie.
Dlatego ASML zdecydował się skoczyć na głęboką wodę.
3⃣ Światło EUV - wyzwania
Na początku wieku uruchomiono projekt stworzenia maszyny EUV, co oznacza ekstremalny ultrafiolet. Taki rodzaj promieniowania jest naturalnie emitowany przez Słońce, ale na szczęście ginie wysoko w naszej atmosferze.
Długość fali światła EUV to 13.5nm, czyli jest rzędy wielkości krótsza od DUV. I też nieporównywalnie trudniejsza do opanowania, a już zwłaszcza w zakresie nadającym się do komercjalizacji tej technologii. Lecz uznano: jeśli uda się to zrobić... to trend dalszej miniaturyzacji tranzystorów pozostanie z nami na długie lata.
♦️ O tym, jak stworzyć w warunkach laboratoryjnych światło EUV, że jest ono emitowane przez plazmę cyny, wiedziano już wcześniej. Wyzwaniem było, jak stworzyć maszynę dostarczającą odpowiednią dawkę fotonów EUV do powierzchni krzemu, by ten system nadawał się następnie do masowej produkcji półprzewodników.
⚠️ Główne wyzwanie: promieniowanie o długości 13.5 nm jest silnie pochłaniane przez praktycznie wszystkie materiały, nawet przez powietrze. Foton światła EUV jest tak agresywny i tak łatwo wchodzi w interakcję z materią, że żaden materiał stały nie jest dla niego przezroczysty.
♦️ W DUV stosuje się wspomniane soczewki, bo fotony DUV nie są jeszcze na tyle agresywne, żeby nie mogły przenikać przez specjalistyczne materiały. Światło to przenika przez kolejne soczewki w układzie projekcyjnym, też przez maskę ze wzorem układu i następnie jest ogniskowane wraz z niesionym obrazem na płytkę krzemową.
Przy EUV soczewki nie wchodzą w grę. Zamiast przejść przez soczewkę, cała energia wiązki EUV zostałaby pochłonięta (zamieniona w ciepło) w jej pierwszej, zewnętrznej warstwie. Soczewka stałaby się bezużyteczna w ułamkach sekundy.
♦️ Elektrony w atomach azotu czy tlenu, czyli głównych składnikach powietrza, są trzymane przez jądro z określoną siłą. By wyrwać je z tego wiązania potrzeba odpowiedniej energii. Dla tlenu to 12 elektronowoltów (eV), dla azotu 15 eV. Fotony światła widzialnego mają zbyt małą energię, by wyrwać elektron z atomu gazu. Odbijają się od nich czy też przelatują obok, dlatego powietrze jest dla nas przeźroczyste.
Ale energia niesiona w fotonach EUV to aż 92 eV (dla porównania foton światła DUV to "tylko" 6.4 eV). Są one więc zbyt "agresywne", by przejść obojętnie obok cząsteczek tworzących powietrze i nie wejść z nimi w destrukcyjną interakcje. W interakcji foton jest szybko pochłaniany przez cząsteczkę azotu czy tlenu, powstaje ciepło, a uwolniony i rozpędzony elektron może spowodować kaskadę innych zdarzeń, też niszczyć optykę układu.
♦️ W atmosferze światło EUV nie przeleci kilka milimetrów, jak natknie się na cząsteczkę powietrza i zostanie przez nią pochłonięty. Tymczasem w układzie optycznym maszyny EUV musi on przebyć drogę nawet 10 metrów. Nawet niewielka ilość takich cząsteczek na drodze EUV może "namieszać" w całej wiązce i ostatecznie na waflu światło wyrysuje wzór odchylony od docelowego. A wystarczy odchylenie o pojedyncze nanometry, by chip nie działał poprawnie.
♦️ Dlatego układ optyczny maszyny EUV musi pracować w systemie próżniowym. Mówimy tu o próżni ultrawysokiej (UHV). Samo stworzenie takiej komory również jest poważnym wyzwaniem, ale tu nie o tym, a o świetle. Komora UHV w maszynach EUV to jedna z najbardziej skomplikowanych komór próżniowych, jakie kiedykolwiek stworzył człowiek do celów przemysłowych.
4⃣ Światło EUV - jak je okiełznać? Świat luster 🪞
Skoro światło EUV nie przenika przez materię i niszczy strukturę soczewek, to jedynym rozwiązaniem jest jakaś próba (mimo wszystko) odbicia tego światła. I tu trzeba wkroczyć w zupełnie nowy świat... świat luster 🪞
Niestety światło EUV nie odbije się jak bila od bandy w bilardzie. Ale Zeiss nie stał na straconej pozycji, by nie móc podjąć się wyzwania "opanowania" tego światła.
Wykorzystano tu koncepcję wielowarstwowych zwierciadeł Bragga.
♦️ Nie wyobrażajmy sobie jednak tych luster, jak zwykłych płaskich powierzchni, jakie potocznie spotykamy. Pod warstwą odbijającą jest cały system aktywnych manipulatorów nim sterującym. Lustra są zawieszone w polu magnetycznym, by maksymalnie ograniczać drgania. Siłowniki magnetyczne potrafią przesuwać lustro z precyzją ułamków nanometra, jeśli system wykryje jakiekolwiek przesunięcie. Do tego działa pod nim system chłodzący. Całe lustro może ważyć kilkadziesiąt kg.
♦️ Materiałem bazowym takiego lustra nie jest szkło, lecz specjalna ceramika szklana o praktycznie zerowej rozszerzalności cieplnej. Lustra te muszą wytrzymać bowiem ogromne obciążenia termiczne bez grama odkształcenia.
♦️ Ale to dopiero baza. Na tę ceramiczną bazę nakłada się "esencję" systemu: ok. 100 naprzemiennych warstw dwóch materiałów, molibdenu i krzemu.
Zwykłe metale dobrze odbijają światło widzialne. Ale w zakresie EUV ich własności optyczne zmieniają się dramatycznie, większość energii jest absorbowana w pierwszych nanometrach materiału. Dlatego powierzchnia dowolnego materiału odbije tylko marginalną ilość światła EUV, zdecydowanie za małą, by zbudować maszynę. Rozwiązaniem jest właśnie wielowarstwowy stos.
♦️ Zeiss tworzy stos 40–50 par warstw molibdenu (Mo) i krzemu (Si), a każda taka para ma grubość zaledwie ok. 7 nanometrów (połowa długości fali EUV). Dla porównania średnica helisy DNA to 2 nm.
♦️ Wykorzystuje się tu zjawisko interferencji konstruktywnej. Słabe odbicia od każdej z dziesiątek granic między warstwami molibdenu i krzemu sumują się w jedno silne odbicie, by ostatecznie lustro odbiło ok. 70% energii EUV, która do niego dotarła.
Foton uderza w pierwszą warstwę molibdenu, od której odbija się tylko 0.5-1%% światła. Reszta leci głębiej. Foton leci przez cieniutką warstwę krzemu i uderza w drugą warstwę molibdenu i znów odbija się 0.5-1%. Kluczowe jest to, aby odległości między warstwami były tak dobrana, żeby fale odbite od wszystkich 50 poziomów wróciły na powierzchnię dokładnie w tej samej fazie. By szczyty fali nałożyły i by seria słabych odbić zsumowała się, wzmocniła, tworząc jedną silną falę.
♦️ Dzięki temu zjawisku udaje się "zmusić" materiał, który naturalnie pochłania światło, do odbicia go na poziomie 70%. Te 40–50 par to punkt optymalny. Dodanie 60. pary już nic nie daje, bo światło do niej nie dociera.
🤔 Proste? Wykorzystać znane zjawisko i tyle? Nie
5⃣ Precyzja i sekretna wiedza Zeissa. Mocna fosa maszyn ASML
⚠️ Problem 1: Teraz trzeba to skonstruować z atomową precyzją.
♦️ Powierzchnia między molibdenem a krzemem musi być idealnie gładka. Nawet lekkie "wymieszanie" atomów na styku warstw powoduje, że interferencja traci precyzję.
♦️ Dlatego chropowatość powierzchni luster EUV wynosi zaledwie ok. 50-100 pikometrów. Dla porównania, średnica pojedynczego atomu krzemu to około 200 pikometrów (0.2 nm). Oznacza to, że Zeiss poleruje te lustra z dokładnością do połowy średnicy pojedynczego atomu.
♦️ Na tej powierzchni dosłownie nie ma miejsca na "pagórek" złożony z jednej dodatkowej cząsteczki. Jeśli ten by się pojawił, to odbita energia z luster mogłaby być zbyt niska (niedoskonała interferencja lub interferencja destruktywna, fale się znoszą), a światło ostatecznie mogłoby wyrysować na fotorezyście miejsce na tranzystor nie w tym miejscu, co na projekcie.
♦️ Najsłynniejsze porównanie używane przez inżynierów Zeissa: gdybyś powiększył jedno z luster EUV do rozmiarów obszaru Niemiec, to na obszarze od Alp po Morze Północne maksymalne wzniesienie nie mogłoby przekroczyć 0.1 milimetra.
⚠️ Problem 2: grubości warstw nie są identyczne na całej powierzchni lustra.
♦️ W najprostszym modelu każda para (molibden + krzem) ma taką samą grubość, aby fale zgrały się w fazie. Jednak w rzeczywistości, w miarę jak światło schodzi głębiej, kąt załamania minimalnie się zmienia.
♦️ Aby to skompensować, inżynierowie Zeissa stosują gradient grubości. Zazwyczaj warstwy położone głębiej są minimalnie korygowane, aby "dogonić" fazę fal odbitych od warstw wierzchnich. Nie będzie to jednak prosty trend typu: "zawsze większe" lub "zawsze mniejsze". Jest to precyzyjnie wyliczona krzywa.
⚠️ Problem 3: same lustra są zakrzywione.
♦️ Jeśli mielibyśmy idealnie płaskie lustro, wtedy grubość poszczególnych warstw (np. 15. czy 42.) byłaby wszędzie taka sama na swojej rozciągłości. Ale przecież te lustra muszą ogniskować światło, więc są zakrzywione. Światło na środku lustra pada pod innym kątem niż na brzegach.
♦️ Aby interferencja zadziałała na całej powierzchni zakrzywionego lustra, grubość par warstw musi się precyzyjnie zmieniać. Na brzegach musi być inna niż w centrum. W jednym miejscu będzie konieczna grubość 7.1 nm, w innym 6.9 nm, w jeszcze innym coś pomiędzy.
♦️ Trzeba więc kontrolować zmianę grubości nie tylko na głębokości wierzchnich warstw lustra, ale prede wszystkim na jego rozciągłości. Kontrola jest liczona z precyzją w pikometrach. I opanowanie tego procesu jest kluczowe dla ostatecznego sukcesu zjawiska interferencji i odbicia od lustra 70% energii światła.
⚠️ Znajomość mapy grubości każdej ze 100 warstw, to być może największa tajemnica 🪄 i bariera technologiczna firmy Zeiss.
Inżynierowie muszą wiedzieć, o ile pikometrów trzeba pogrubić np. warstwę nr 42 na 15. centymetrze lewej krawędzi lustra, itp.
♦️ Oczywiście, raz to to wiedzieć, a dwa, to to zmierzyć na lustrze o średnicy maksymalnej 50 cm dla maszyny Low-NA EUV lub jednego metra w najnowszych High-NA. Każda pomyłka w tej "mapie" powoduje, że lustro zamiast 70% odbija np. 20%, światło nie dociera do wafla lub jest zbyt słabe, a lustro o wartości miliona dolarów staje się bezużyteczne.
♦️ Wyprodukowanie kompletu optyki do jednej maszyny EUV to wiele miesięcy, a dla High-NA trwa ponad rok. Większość tego czasu to cykle: polerowanie - pomiar - polerowanie - pomiar.
To dlatego podaż maszyn ASML jest tak sztywna w krótkim i średnim czasie. Nawet gdyby branża producentów półprzewodników dała ASML jutro kilkadziesiąt miliardów dolarów na 100 dodatkowych maszyn, Zeiss fizycznie nie jest w stanie szybciej mierzyć i polerować tych luster, bo każda pomyłka oznacza stratę niemal roku pracy.
6⃣ Dlaczego te 70% odbicia jest takie ważne?
Czyli mamy te niemal idealne, "magiczne" lustra odbijające 70% światła. Wygląda na to, że problem jest rozwiązany. To jednak dopiero początek kolejnego koszmaru.
♦️ System optyczny w maszynie EUV to nie jest jedno lustro, lecz kaskada 10-11 o różnych średnicach, a w nowszych maszynach (High-NA EUV) dwunastu luster, przez które musi przejść ścieżka światła.
♦️ Najpierw jest sekcja oświetlacza (4-5 luster), która kształtuje zebraną wcześniej przez ogromny kolektor wiązkę i kierują ją na maskę. I to rzutowanie na maskę musi zajść pod precyzyjnym kątem, stąd wcześniej jest seria odbić, a nie pojedyncze.
💡 W tym systemie maska jest kolejnym wielowarstwowym lustrem, a nie soczewką jak przy DUV. Na jej powierzchnię naniesiony jest wzór z materiału, który pochłania światło EUV. Światło odbija się tylko od czystych fragmentów lustrzanej maski, niosąc dalej ze sobą już obraz układu scalonego.
♦️ Następnie jest sekcja projekcyjna. To kolejne 6 luster, które odpowiadają za pomniejszenie wzoru z maski i rzutowanie go na krzemowy wafel, również przy odpowiednim kącie.
♦️ Skoro każde lustro odbija 70%, to też oznacza, że pochłania 30% energii, zamieniając ją w ciepło. I te straty się mnożą. Po pierwszym lustrze zostaje 70% światła. Po drugim 70% z tych 70%, czyli 49%. Po dziesięciu lustrach zostaje nam 0.7^10, czyli ~3%.
⚠️ ... W rezultacie po przejściu przez cały układ optyczny do wafla krzemowego dociera zaledwie 2 do 4% światła EUV, które na początku wpadło do tego systemu.
Prawie cała energia jest więc marnowana w tej kaskadzie luster. Przez zwykłą fizykę, a nie błędy inżynierów... A to nawet nie jest połowa historii strat energii od "wyjścia z gniazdka".
7⃣ Od lasera do wafla
Przecież na początku drogi mamy najpierw potężny przemysłowy laser CO2. Ten dwukrotnie uderza w pojedynczą kropelkę cyny, których generator dostarcza do systemu 50k na sekundę. Po drugim uderzeniu tworzy się plazma, która emituje między innymi światło EUV, zbierane następnie przez pierwsze, największe lustro, kolektor. Powstaje światło EUV, które dalej ruszy w układ optyczny.
♦️ Niestety sprawność tej konwersji energii z lasera w użyteczne światło EUV, które da się zebrać, wynosi zaledwie od 4% do 6%. Czyli najpierw tracone jest 95% energii na stworzenie światła, a potem z tych pozostałych 5% traci się kolejne 96% na odbiciach w lustrach. Zostawiając na końcu niewiele z tego, co wyszło "z gniazdka".
8⃣ Wpływ na ekonomię procesu
♦️ Fotorezyst, którym pokryty jest wafel, potrzebuje odpowiedniej dawki energii, by zmienić swoje właściwości. Jeśli będziemy traktować go fotonami o słabszej energii, to naświetlanie będzie trwało dłużej.
Pierwszy prototyp EUV, który ASML dostarczył w 2006 roku do belgijskiego instytutu Imec, naświetlał jeden wafel przez kilka godzin. Teraz, przy produkcji masowej, maszyny EUV naświetlają jeden wafel o średnicy 30 cm w czasie kilkunastu sekund.
♦️ Maszyny EUV są jak widać potworami energetycznymi i dlatego ASML oraz cała branża toczy bój o każdy dodatkowy wat mocy źródła światła. Bo im więcej na wejściu (im silniejszy laser), tym więcej na wyjściu.
Każde skrócenie czasu naświetlania o setne sekundy może przełożyć się na tysiące więcej wyprodukowanych wafli w ciągu roku, z których każdy, przy najnowszych technologiach, może być wart dla producenta przynajmniej 20 tys. USD przy najbardziej obecnie zaawansowanych procesach produkcji.
Ale nie byłoby obecnie tak zaawansowanej technologii miniaturyzacji półprzewodników, gdyby Zeiss nie rozwiązał wcześniej, jak "kontrolować" światło EUV i jak zachować te cenne ok. 70% energii EUV przy odbiciu od ultraprecyzyjnych luster. No i gdyby ASML z innymi partnerami nie rozwiązał serii innych wyzwań przy maszynach EUV.
Tak więc Moi Mili, Zachód potrafi w inżynierię 😉
I absolutely loved the moment on Spaces when @bgarlinghouse answered the question, “Brad, can you flip the switch?”
His response really stuck with me.
He basically said that if there was one single big switch to flip, he’d flip it immediately. But the reality is > it isn’t one switch. It’s hundreds of different switches, all being turned on and off over time.
That answer made me stop and think.
Because when you zoom out and look at what Ripple has actually been doing over the last decade - and especially over the last year > you start to realize just how many switches have already been activated.
Think about it.
Every acquisition.
Every partnership.
Every legal battle fought and progressed through.
Every conversation with institutions.
Every strategic move with governments, regulators, and global finance.
Every hire, every marketing push, every expansion into new markets.
They’re all switches.
Then you look at the technical side > XRPL amendments going live, infrastructure improving, liquidity growing, ecosystem projects expanding, new use cases coming online. More switches.
And when you visualize it, it’s almost like watching the old financial system slowly powering down while an entirely new system powers up in the background > one switch at a time.
People want a single moment where someone hits a button and everything changes overnight. But real transformation doesn’t happen like that. It happens quietly. Gradually. Layer by layer. Switch by switch.
And eventually, there comes a point where enough switches have been activated that the whole machine starts moving at once.
That’s the moment everyone is waiting for.
The moment where all the preparation, all the groundwork, and all the years of building converge into one major shift.
And when that happens > the direction is only ever north for XRP. Up and to the right.
BREAKING: The banking lobby says conditional charters tied to unfinished bills like the GENIUS Act could grant crypto firms Fed access before rules are fully defined.
"Once these firms get Fed access and national licensing, we will be talking about skipping the whole middle layer - no SWIFT, no correspondent chains, just native, regulated settlement"
@KhaledElawadi@VinceLaBido@saradwinter@bramk Not really. I think bitcoin is largely a technological dead end for the same reason the dollar is. The technology just doesn't seem to matter all that much to its success, at least not at the blockchain layer.