Derin Okuma — Zeiss SMT

Aynanın altındaki zemin

Oberkochen'de bir temiz oda düşün. Zeminde beton yok, çelik bir kafes var. Kafesin üstünde bir ayna duruyor, aynanın altında ise onu taşıyan aktüatörler. Aynanın yüzeyi o kadar düzgün ki, üzerine düşen ışığın dalga cephesi bozulmuyor. Aynayı üreten şirket, çip dünyasının en çok konuşulan ismi değil. Ama o ayna olmadan bugünkü hiçbir ileri çip çıkmıyor.

Zeiss SMT, Carl Zeiss'in yarı iletken üretim teknolojileri kolu. Müşterisi tek bir şirket gibi görünüyor, ASML. ASML'nin EUV litografi makineleri var, o makinelerin içindeki optik sütun ise Zeiss'ten geliyor. Peki neden tek bir tedarikçiye bu kadar bağımlı bir yapı kuruldu?

Neden ayna, neden cam değil

EUV ışığı 13,5 nanometre dalga boyunda. Dalga boyu o kadar kısa ki, bilinen hiçbir malzeme onu geçirmiyor. Cam mercekler işe yaramıyor, çünkü ışık camdan geçemiyor. Çözüm, ışığı yansıtmak. Ama sıradan bir ayna da yetmiyor.

Dalga boyunda çalışan ayna, molibden ve silisyum katmanlarının üst üste dizilmesiyle yapılıyor. Her katman birkaç nanometre kalınlığında. Kabaca 50 çift katman üst üste biniyor ve toplam kalınlık bir saç telinin binde biri mertebesinde kalıyor. Yansıtıcılık ise her aynada yüzde 70 civarında. Yani ışık her sekmede biraz kaybediliyor.

Katman kalınlığı rastgele değil. Molibden ve silisyum çifti, gelen ışığın dalga boyuna göre Bragg yansıması yapacak şekilde ayarlanıyor. Yaklaşık 6,9 nanometrelik bir periyot, 13,5 nanometrelik ışığın fazını üst üste bindiriyor. Periyot yüzde bir kayarsa yansıtıcılık hızla düşüyor. Yani ayna, atom katmanı hassasiyetinde bir mimari.

Arayüzey pürüzlülüğü ayrı bir eşik. Molibden ve silisyum arasındaki geçiş bölgesi, ideal olarak yarım nanometrenin altında tutulmak zorunda. Ara yüzeyde iki atomluk bir karışma olsa, Bragg yansımasının verimi düşüyor. Katmanları serpmek için kullanılan iyon demeti tekniği, yüzeyi atom katmanı katman büyütüyor. Her çift katmanın kalınlığı, üretim sırasında ölçülüyor ve gerekiyorsa sonraki katman kalınlığı ona göre düzeltiliyor.

Yüzeyin pürüzlülüğü de ayrı bir eşik. Dalga boyunun yaklaşık yirmide biri kadar pürüzlülük kabul edilebilir sınır. 13,5 nanometre için bu, 0,1-0,2 nanometre mertebesi demek. Bir atomun çapı 0,3 nanometre civarında. Yani yüzey, tek atom düzeyinde pürüzsüz olmak zorunda.

Bir EUV makinesinde onlarca ayna var. Işık kaynaktan çıkıp wafer'a ulaşana kadar bu aynalardan geçiyor. Yüzde 70'i on kez çarparsan elinde kalan ışık yüzde üçün altına düşüyor. O yüzden kaynak tarafında inanılmaz bir güç üretmek gerekiyor. Peki bu kaybı telafi etmek için kaynakta ne yapılıyor?

Kalay damlası ve saniyede elli bin kez

EUV kaynağı aslında bir plazma. Erimiş kalay damlacıkları vakum içinde bırakılıyor, sonra bir lazer bunlara çarpıyor. Kalay damlası saniyede yaklaşık 50 bin kez fırlatılıyor. Lazer önce damlayı yassıltıyor, sonra ikinci bir darbe plazmaya çeviriyor. Plazma 200 bin dereceyi aşan sıcaklıklara çıkıyor ve buradan EUV ışığı yayılıyor.

Damlanın çapı 25-30 mikrometre mertebesinde. Lazer darbesi, damlanın tam merkezine, mikrosaniye hassasiyetinde denk gelmek zorunda. Saniyede 50 bin damla, saniyede 50 bin atış demek. Bir atış ıskalarsa o an üretilen ışık kayboluyor, wafer üzerindeki pozlama dozu düşüyor. Doz düşerse desen bozuluyor.

Kaynak lazeri tek bir ünite değil. Ön darbeyi atan bir lazer, ardından ana darbeyi atan bir CO2 lazer var. Ön darbe damlayı bir disk haline getiriyor, ana darbe bu diskin tamamını ısıtıyor. CO2 lazeri onlarca kilovat güç üretiyor ve bu gücün neredeyse tamamı tek bir damlacığa odaklanıyor. Odak noktası iki yüz mikrometre mertebesinde. Yani bir metrelik iş parçasına, bir toplu iğne ucu kadar alana, saniyede elli bin kez enerji boşaltılıyor.

Işığı toplamak için kullanılan kolektör ayna, kalay buharına maruz kalıyor. Kalay aynanın üstüne birikirse yansıtıcılık düşüyor. O yüzden kolektörün önünde hidrojen akışı var, kalayı uzaklaştırıyor. Hidrojen, kalayla tepkimeye girip uçucu bir bileşik oluşturuyor, bu bileşik vakumla çekiliyor. Aynanın kendisi de ısınıyor, çünkü plazmadan gelen ısı yükü yüksek.

Kolektör aynası, sıradan bir EUV aynasından farklı bir tasarım. Kalay buharına doğrudan bakan tek optik yüzey olduğu için, koruyucu bir katman ve soğutma kanallarıyla birlikte üretiliyor. Isı yükü 1-2 kilovat mertebesinde olabiliyor. Soğutma olmadan ayna şekli bozuluyor, bozulan şekil optik hatayı büyütüyor.

Zeiss'in işi tam burada başlıyor. Ayna sadece düzgün değil, aynı zamanda ısı altında şeklini koruyacak şekilde tasarlanmalı. Malzeme seçimi, kaplama, soğutma kanalları, hepsi birlikte çalışıyor. Peki bu aynaları taşıyan mekanik sistem nasıl çalışıyor?

Pikometre mertebesinde hizalama

EUV optiğinde aynaların konumu pikometre mertebesinde ayarlanıyor. Bir pikometre, bir metrenin trilyonda biri. Ölçekte aynayı hareket ettirmek için piezo aktüatörler kullanılıyor. Her aynanın arkasında onlarca aktüatör var, her biri bağımsız hareket ediyor.

Piezo malzeme, üzerine voltaj uygulandığında boyutunu değiştiriyor. Tipik bir piezo yığını, yüz volt civarında bir voltajla birkaç yüz nanometre uzuyor. Hareket, kaldıraç mekanizmasıyla ölçekleniyor. Yüz nanometrelik hareket, aynanın kenarında birkaç pikometrelik eğime dönüşüyor. Yani aynanın merkezi değil, kenarı hareket ediyor ve yüzeyin şekli değişiyor.

Aktüatörler aynayı altı eksende konumlandırıyor. Işık yolundaki her sapma, wafer üzerindeki deseni bozuyor. O yüzden sistem sürekli ölçüm yapıyor, sürekli düzeltiyor. Bir EUV makinesi çalışırken saniyede binlerce kez bu düzeltmeyi yapıyor.

Pikometre ölçeğini somutlaştırmak gerekiyor. Yerçekimi, hava akımı, zeminden gelen titreşim, hatta bir insanın odada yürümesi aynayı etkiliyor. O yüzden optik sütun titreşim sönümleyici bir platforma oturuyor. Temiz odanın zeminine doğrudan basan bir yapı değil, kademeli bir izolasyon sistemi var.

İzolasyonun ölçüsü de bir mühendislik tercihi. Bir yaya asılı kütle, düşük frekanslı titreşimi kesiyor ama yüksek frekanslı titreşimi geçiriyor. Tersine, sert bir bağlantı yüksek frekansı kesiyor ama alçak frekansı geçiriyor. Sistem, farklı frekans bantları için farklı sönümleyici katmanlar kullanıyor. Bir bina katı, bir aktif sönümleyici, bir pasif sönümleyici, hepsi üst üste biniyor.

Zeiss burada iki işi birlikte yapıyor. Aynayı üretiyor, aynayı taşıyan mekanik modülü de üretiyor. Optik ve mekanik ayrı şirketlerden gelmiyor, aynı çatı altında birleşiyor. Entegrasyon, hizalama hatasını azaltıyor. Ama aynı zamanda tasarım değişikliğini yavaşlatıyor. Çünkü bir aynayı değiştirmek, ona bağlı aktüatörleri, soğutmayı, ölçüm sistemini birlikte değiştirmek demek.

Aktüatör sayısı da bir mühendislik tercihi. Az sayıda büyük aktüatör mü, çok sayıda küçük aktüatör mü? Çok sayıda küçük aktüatör daha ince ayar sağlıyor ama kontrol yazılımını karmaşıklaştırıyor. Her aktüatörün hareketi diğerlerini etkiliyor, sistem sürekli bir denge problemi çözüyor. Peki bu yapı neden bu kadar kırılgan?

Tek tedarikçi, tek müşteri

Zeiss SMT ile ASML arasındaki ilişki yıllar içinde derinleşti. ASML makinelerinin optik sütunu Zeiss'ten geliyor, Zeiss'in yarı iletken cirosunun büyük kısmı ASML'den geliyor. İki şirket ortak geliştirme yapıyor, ortak yatırım yapıyor. İlişki bir tedarik ilişkisinden çok, bir ortaklık gibi çalışıyor.

Yapının avantajı, optik ve makinenin birlikte optimize edilmesi. Dezavantajı ise, taraflardan biri aksarsa zincirin tamamının aksaması. Zeiss'in bir fabrikasında çıkan bir sorun, ASML'nin teslimat takvimini doğrudan etkiliyor. ASML'nin teslimatı gecikirse, TSMC ve Samsung'un yeni fabrika planları kayıyor.

O yüzden Zeiss kapasitesini yıllar öncesinden planlıyor. Yeni bir optik üretim hattı kurmak yıllar alıyor. Temiz oda alanı, vakum sistemleri, ölçüm cihazları, hepsi uzun tedarik süreleriyle geliyor. Kapasite bir kez kurulduğunda ise kolay kolay küçültülmüyor.

Kapasite kurulumunun ölçeği de küçük değil. Bir EUV aynası üretmek için gereken temiz oda, sınıf 1 seviyesinde. Yani bir metreküp havada yarım mikrondan büyük parçacık neredeyse hiç bulunmuyor. Ayna yüzeyine düşen tek bir parçacık, o aynayı hurdaya çeviriyor. O yüzden ölçüm, taşıma, kaplama ve montaj adımlarının hepsi aynı temizlik sınıfında yapılmak zorunda.

Kırılganlığın ölçüsü, tek bir bileşenin üretim süresinde saklı. Bir ayna 6-12 ay sürüyorsa, bugün verilen sipariş bir yıl sonrasının teslimatına bağlanıyor. Aradaki sürede talep artarsa, kapasite hemen artmıyor. Aradaki sürede bir sorun çıkarsa, telafi edilecek tampon stok da yok. Yarı iletken zincirinin en tepesinde, tamponun yerini takvim tutuyor.

Piyasa Hafızası

2018 sonbaharında ASML, EUV makinelerinin teslimatında gecikme yaşandığını duyurdu. Sebep, Zeiss SMT'nin ürettiği optik bileşenlerdeki kalite sorunlarıydı. Şirket, bazı makinelerin teslimatını 2019'a kaydırdığını açıkladı. Haber, çip üreticileri arasında dalga yarattı, çünkü 7 nanometre ve altındaki üretim planları bu makinelere bağlıydı.

ASML hissesi o dönemde baskı altında kaldı, çip üreticileri kendi yol haritalarını gözden geçirdi. Sorun kısa sürede çözüldü ama ders kalıcı oldu. Tek bir optik bileşendeki gecikme, küresel çip tedarik zincirinin en tepesinde hissediliyor. Zeiss'in üretim takvimi, artık sadece bir Alman şirketinin değil, tüm sektörün takvimi.

Küçük Bir Hesap

Aşağıdaki tablo, temsili bir EUV optik sütununun ekonomisini kabaca gösteriyor. Sayılar temsili, mantık gerçek.

Optik sütunun makine başına değeri kabaca 40-50 milyon dolar. Yılda 50 makine teslim edilirse, buradan çıkan optik cirosu 2 milyar dolar mertebesinde. Ama asıl mesele ciro değil, kapasite. Bir ayna 6-12 ay sürüyorsa, teslimat takvimi bugün verilen siparişle bir yıl sonrasına bağlanıyor.

Duyarlılık burada ortaya çıkıyor. Ayna üretim süresi yüzde 20 uzarsa, yıllık makine teslimatı yüzde 20 düşüyor. Düşüş, çip üreticilerinin kapasite planlamasına doğrudan yansıyor. Yani Zeiss'in bir atölyesindeki gecikme, Tayvan'da bir fabrikanın açılış tarihini kaydırabiliyor.

Bir başka duyarlılık da yansıtıcılıkta. Ayna yansıtıcılığı yüzde 70'ten yüzde 68'e düşse, on aynalı bir hat üzerinden kayıp yüzde üç civarında büyüyor. Kaynak gücünü aynı oranda artırmak gerekiyor. Kaynak gücü zaten sınırda çalışıyorsa, bu küçük düşüş doğrudan üretim hızına yansıyor. Wafer başına süre uzuyor, hat verimi düşüyor.

Üç katmanlı okuma

Birincisi, Zeiss SMT'yi anlamak için onu bir optik şirketi olarak değil, bir kapasite şirketi olarak okumak gerekiyor. Ürettiği aynanın kalitesi kadar, o aynayı ne kadar sürede ürettiği de kritik. Kapasite, bu işin görünmeyen darboğazı.

İkincisi, EUV zincirinde tek tedarikçi yapısı bilinçli bir tercih. Optik ve mekanik ayrılırsa hizalama hatası büyüyor, bu yüzden entegrasyon korunuyor. Ama bu entegrasyon, zincirin kırılganlığını da beraberinde getiriyor.

Üçüncüsü, çip üretiminin en üst halkası, en görünmez halka. Kimse Zeiss'in aynasını konuşmuyor ama o ayna olmadan bugünkü yapay zeka çipleri çıkmıyor. Görünmeyen halka, zincirin tamamını taşıyor.

Bir ayna, bir makine, bir fabrika, bir sektör. Sıra hep aynı yerden başlıyor.