Il futuro dell’informatica è legato alla produzione dei chip. I primi strumenti di litografia erano piuttosto semplici, ma le tecnologie attuali sono tra le invenzioni più avanzate mai concepite dall’uomo.
Quando oggi si parla di informatica, si tende a parlare di software e degli ingegneri che lo sviluppano. Ma non saremmo da nessuna parte senza l’hardware e le scienze fisiche che ne hanno permesso la creazione, discipline come l’ottica, la scienza dei materiali e l’ingegneria meccanica. È grazie ai progressi in queste aree che possiamo fabbricare i chip su cui risiedono tutti gli 1 e gli 0 del mondo digitale. Senza di loro, l’informatica moderna sarebbe stata impossibile.
La litografia per l’industria dei semiconduttori, il processo di produzione dei chip per computer, ha 70 anni. La sua storia è tanto semplice quanto complesso è il processo odierno: la tecnologia ha avuto inizio a metà degli anni Cinquanta, quando un fisico di nome Jay Lathrop ha capovolto la lente del suo microscopio.
Lathrop, morto nel 2022 all’età di 95 anni, è oggi poco ricordato. Ma il processo di litografia che lui e il suo collega di laboratorio brevettarono nel 1957 trasformò il mondo. Il costante miglioramento dei metodi litografici ha prodotto circuiti sempre più piccoli e quantità di potenza di calcolo prima inimmaginabili, trasformando intere industrie e la nostra vita quotidiana.
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Oggi la litografia è un grande business con minuscoli margini di errore. Il leader mondiale, l’azienda olandese ASML, è anche la più grande società tecnologica europea per capitalizzazione di mercato. I suoi strumenti di litografia – che si basano sugli specchi più piatti del mondo, su uno dei laser commerciali più potenti e su un impulso molto più caldo della superficie del sole – possono modellare forme minuscole sul silicio, che misurano solo una manciata di nanometri. Questa precisione su scala nanometrica, a sua volta, rende possibile la produzione di chip con decine di miliardi di transistor. Probabilmente vi affidate a chip realizzati con questi strumenti di litografia ultra-avanzati; si trovano nel vostro telefono, nel vostro PC e nei centri dati che elaborano e conservano i vostri dati.
Di tutte le macchine di incredibile precisione che producono chip, gli strumenti di litografia sono i più critici e i più complessi. Richiedono centinaia di migliaia di componenti e miliardi di dollari di investimenti. Ma non sono solo oggetto di rivalità commerciale e di meraviglia scientifica: sono al centro di una competizione geopolitica per il controllo del futuro della potenza di calcolo. L’informatica di domani dipenderà infatti dall’evoluzione dell’industria litografica e dalla lotta per produrre strumenti litografici ancora più precisi. La storia dello sviluppo di questa tecnologia suggerisce che qualsiasi progresso ulteriore si baserà su macchine ancora più complesse e precise, e su catene di fornitura ancora più lontane, per produrre i componenti specializzati richiesti. La velocità di sviluppo di nuovi sistemi e componenti litografici – e la questione di quali aziende e Paesi riusciranno a produrli – determinerà non solo la velocità del progresso informatico, ma anche l’equilibrio di potere e profitti all’interno dell’industria tecnologica.
L’idea che l’odierna produzione su scala nanometrica abbia origine dalla lente del microscopio rovesciato di Lathrop potrebbe sembrare poco plausibile. Ma l’industria della litografia è progredita rapidamente. Ha permesso ai chip di seguire la Legge di Moore e di stabilirne il ritmo: il numero di transistor in un circuito integrato raddoppia all’incirca ogni due anni.
Lathrop inventò il processo negli anni Cinquanta, in un’epoca in cui i computer utilizzavano valvole termoioniche (o tubi a vuoto) o transistor così grandi da essere visibili a occhio nudo e quindi abbastanza facili da produrre senza dover creare una nuova classe di strumenti.
Non stava cercando di rivoluzionare l’informatica, Lathrop. In seguito, ricordò che “non aveva idea dei computer”. A metà degli anni Cinquanta, in qualità di ingegnere presso il Diamond Ordnance Fuze Lab dell’esercito degli Stati Uniti, era stato incaricato di ideare una nuova spoletta di prossimità da inserire all’interno di un proiettile di mortaio di appena un paio di pollici di diametro. Uno dei componenti richiesti dalla spoletta era un transistor, ma il guscio era così piccolo che era difficile inserire i transistor esistenti allora.
All’epoca, la produzione di transistor era agli inizi. I transistor erano utilizzati come amplificatori nelle radio, mentre i transistor discreti cominciavano a essere utilizzati in computer grandi come stanze. Il laboratorio di spolette disponeva già di alcune attrezzature per la produzione di transistor, come coltivatori di cristalli e forni di diffusione. Ma anche in un laboratorio di armi avanzato, molti dei materiali e degli strumenti necessari per fabbricarli dovevano essere sviluppati da zero.
Questi primi transistor erano costituiti da un blocco dell’elemento chimico germanio con diversi materiali stratificati sopra, in modo da assomigliare alla forma di una mesa del deserto. Questi blocchi di materiale dalla sommità piatta venivano realizzati ricoprendo prima una porzione di germanio con una goccia di cera. Poi è stata applicata una sostanza chimica che ha inciso il germanio non coperto. Quando la cera veniva rimossa, rimaneva solo il germanio coperto, appoggiato su una piastra metallica. Questo sistema funzionava abbastanza bene per i transistor di grandi dimensioni, ma miniaturizzarli era praticamente impossibile. La cera colava in modo imprevedibile, limitando la precisione con cui il germanio poteva essere inciso. Lathrop e il suo collega di laboratorio, Jim Nall, trovarono la soluzione grazie alla spoletta di prossimità bloccata dalle imperfezioni della cera traboccante.
Lathrop ha trascorso anni a guardare attraverso i microscopi per far sembrare più grande qualcosa di piccolo. Mentre si interrogava su come miniaturizzare i transistor, lui e Nall si chiesero se l’ottica del microscopio capovolta potesse consentire di miniaturizzare qualcosa di grande, come un modello per un transistor. Per scoprirlo, hanno ricoperto un pezzo di materiale di germanio con un tipo di sostanza chimica chiamata fotoresist, acquistata dalla Eastman Kodak, l’azienda produttrice di macchine fotografiche. La luce reagisce con il fotoresist, rendendolo più o meno duro. Lathrop sfruttò questa caratteristica e creò una “maschera” a forma di mesa, posizionandola sul microscopio con ottiche capovolte. La luce che passava attraverso i fori della maschera veniva rimpicciolita dall’obiettivo del microscopio e proiettata sulle sostanze chimiche del fotoresist. Le sostanze chimiche diventavano resistenti nei punti colpiti dalla luce. Mentre nei punti in cui la luce era bloccata dalla maschera, esse venivano asportate, generando così una precisa mesa di germanio in miniatura. Era stato trovato un modo per produrre transistor miniaturizzati.
Lathrop chiamò il processo fotolitografia – stampa con la luce – e insieme a Nall ne chiese il brevetto. Nel 1957 presentarono una relazione sull’argomento all’International Electron Devices Meeting annuale e l’esercito assegnò loro un premio di 25.000 dollari per l’invenzione. Con quei soldi Lathrop comprò una nuova station wagon per la famiglia.
Nel bel mezzo della Guerra Fredda, il mercato delle spolette per mortai era in crescita, ma il processo di litografia di Lathrop decollò perché le aziende che producevano transistor per l’elettronica civile ne compresero il potenziale di trasformazione. La litografia non solo produceva transistor con una precisione senza precedenti, ma apriva anche le porte a un’ulteriore miniaturizzazione. Le due aziende che guidano la corsa ai transistor commerciali, la Fairchild Semiconductor e la Texas Instruments, hanno capito subito le implicazioni. La litografia era lo strumento necessario per produrre transistor a milioni e trasformarli in un prodotto di massa.
Dipingere con la luce
Robert Noyce, uno dei cofondatori della Fairchild, aveva studiato con Lathrop quando entrambi erano dottorandi in fisica al MIT. Durante la scuola di specializzazione, i due avevano trascorso i fine settimana facendo escursioni sulle montagne del New Hampshire ed erano rimasti in contatto anche dopo la laurea. Alla Fairchild, Noyce si mosse rapidamente per assumere Nall, il compagno di laboratorio di Lathrop, e guidò gli sforzi della sua azienda nel campo della litografia, costruendo un proprio dispositivo con una serie di obiettivi da 20 millimetri acquistati in un negozio di fotografia della Bay Area.
Lathrop, nel frattempo, accettò un lavoro presso la concorrente di Fairchild, la Texas Instruments, guidando la sua station wagon fino a Dallas. Arrivò proprio quando il suo nuovo collega e amico di sempre Jack Kilby era sul punto di creare un semiconduttore con più componenti elettronici incorporati, o integrati. Questi circuiti integrati, divenne presto chiaro, potevano essere prodotti in modo efficiente solo con il metodo litografico di Lathrop. Mentre le aziende produttrici di chip si sforzavano di rimpicciolire i transistor per inserirne di più nei chip, la fotolitografia forniva la precisione richiesta dalla produzione miniaturizzata.
Fairchild e Texas Instruments realizzarono le prime macchine litografiche in casa, ma la loro crescente complessità attirò presto nuovi concorrenti. Man mano che la scala dei transistor si riduceva dai centimetri ai millimetri, ai micron, aumentava l’importanza dell’ottica di precisione. Perkin-Elmer era un’azienda del Connecticut che produceva ottiche specializzate per l’esercito americano, dai mirini per le bombe ai satelliti spia. Alla fine degli anni ’60 si rese conto che questa esperienza poteva essere utilizzata anche per la litografia. Così ha sviluppato uno scanner in grado di proiettare il modello della maschera su un wafer di silicio, allineandolo con una precisione quasi impeccabile. Lo scanner spostava poi una luce sul wafer come una fotocopiatrice, dipingendolo con linee di luce. Questo strumento si è dimostrato in grado di fabbricare transistor di dimensioni pari a un micron, un milionesimo di metro.
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Ma questo metodo non era pratico, poiché i chip diventavano sempre più piccoli. Verso la fine degli anni ’70, gli scanner iniziarono a essere sostituiti da stepper (o mask-aligner), macchine che spostavano la luce in passi discreti su un wafer. Il compito dello stepper era quello di muovere la luce con una precisione di un micron, in modo che ogni flash fosse perfettamente allineato con il chip. GCA, un’azienda di Boston nel settore dei palloni spia, ha ideato il primo strumento stepper, secondo quanto riferito da Morris Chang, dirigente di Texas Instruments e in seguito fondatore di Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC), che è oggi il più grande produttore di chip al mondo.
Le aziende specializzate in litografia del New England dovettero presto affrontare una forte concorrenza. Negli anni ’80, i produttori di chip giapponesi iniziarono a conquistare importanti quote di mercato e ad acquistare da Nikon e Canon, due produttori nazionali di strumenti per la litografia. Nello stesso periodo, il produttore olandese di chip Philips ha scorporato la propria unità che produceva strumenti per la litografia, chiamando la nuova società ASML.
GCA, che rimaneva il campione americano della litografia, faticava a far fronte alla concorrenza. La sua tecnologia litografica era ampiamente riconosciuta come di alto livello, ma le macchine erano meno affidabili di quelle dei nuovi rivali giapponesi e olandesi. Inoltre, GCA non riuscì ad anticipare una serie di cicli economici del settore dei chip negli anni Ottanta. Ben presto l’azienda si ritrovò sovraesposta finanziariamente e, alla fine del decennio, sull’orlo del fallimento. Bob Noyce cercò di salvare l’azienda. In qualità di capo di Sematech, istituto di ricerca sui semiconduttori sostenuto dal governo per rivitalizzare l’industria statunitense dei chip, investì milioni di dollari in GCA. Ma non bastò a fermare la crisi dell’azienda. L’industria della litografia entrò così negli anni ’90 con tre aziende principali, due giapponesi e una olandese.
Il declino di un’industria
Il declino dell’industria litografica americana ha coinciso con un drammatico balzo in avanti nella complessità tecnologica del settore. Negli anni ’80 la luce visibile, che ha una lunghezza d’onda di diverse centinaia di nanometri, era un pennello troppo largo con cui dipingere i transistor più piccoli. L’industria si è quindi orientata verso l’uso di nuove sostanze chimiche, come il fluoruro di kripton e il fluoruro di argon, per creare luce ultravioletta profonda, con lunghezze d’onda fino a 193 nanometri. All’inizio degli anni 2000, dopo che la luce ultravioletta si è rivelata uno strumento troppo debole, sono state create macchine litografiche in grado di sparare la luce attraverso l’acqua, creando un angolo di rifrazione più netto e consentendo quindi una maggiore precisione. In seguito, la litografia “a immersione” si è rivelata insufficiente per i chip più piccoli, e i litografi hanno iniziato a utilizzare la multi-patterning, applicando più strati di litografia uno sull’altro per produrre modelli ancora più precisi sul silicio.
Già negli anni ’90, tuttavia, era chiaro che per continuare a produrre transistor sempre più piccoli sarebbe stata necessaria una nuova fonte di luce con una lunghezza d’onda più piccola. Intel, il più grande produttore di chip americano, ha condotto i primi investimenti nella litografia a ultravioletti estremi (EUV), utilizzando un tipo di luce con una lunghezza d’onda di 13,5 nanometri. Questo metodo era sufficientemente preciso per modellare forme con dimensioni approssimativamente equivalenti. Ma solo una delle aziende litografiche, ASML, ha avuto il coraggio di scommettere il proprio futuro su questa tecnologia, il cui sviluppo avrebbe richiesto tre decenni e miliardi di dollari. Per tanto tempo, molti esperti del settore hanno pensato che non avrebbe mai funzionato.
Produrre luce EUV su scala sufficiente è una delle sfide ingegneristiche più complesse della storia umana. Il metodo di ASML richiede di polverizzare due volte una sfera di stagno larga 30 micron con un laser ad anidride carbonica ad altissima potenza. In questo modo la sfera di stagno esplode in un plasma con una temperatura di diverse centinaia di migliaia di gradi. Il plasma emette luce EUV, che deve essere raccolta con gli specchi più piatti mai creati, ciascuno composto da decine di strati alternati di silicio e molibdeno dello spessore di un nanometro. Questi specchi sono tenuti quasi perfettamente fermi da una serie di attuatori e sensori che, secondo il costruttore, sono così precisi da poter essere usati per posizionare un laser e colpire una pallina da golf lontana come la luna.
La produzione dei componenti specializzati di un sistema EUV ha richiesto la costruzione di una complessa catena di approvvigionamento internazionale. Il laser ad alta potenza è prodotto da un’azienda tedesca, la Trumpf, specializzata in strumenti di taglio di precisione. Gli specchi sono prodotti da Zeiss, un’altra azienda tedesca che vanta una lunga esperienza nel campo dell’ottica. La camera in cui vengono polverizzate le sfere di stagno è stata progettata da Cymer, un’azienda di San Diego successivamente acquistata da ASML. Un macchinario con centinaia di migliaia di componenti può essere prodotto solo con la partecipazione di aziende di più continenti, anche se il suo assemblaggio è monopolizzato da un’unica azienda.
Oggi, gli strumenti di litografia EUV sono utilizzati per produrre molti dei chip chiave di telefoni, PC e data center. Un tipico processore per smartphone avrà oltre 10 miliardi di transistor microscopici, ognuno dei quali stampato con il processo di fotolitografia di cui Lathrop è stato il pioniere. La litografia è stata utilizzata per creare transistor a trilioni, rendendoli il prodotto di fabbricazione più diffuso nella storia dell’umanità.
GCA CORPORATION
L’aspetto forse più importante, tuttavia, è il ruolo della litografia EUV nella produzione dei chip richiesti dai data center avanzati. I grandi sistemi di intelligenza artificiale sono solitamente addestrati su chip all’avanguardia, il che significa che beneficiano di transistor ultra-avanzati che possono essere fabbricati in modo efficiente solo attraverso la litografia EUV. Questo ha reso la litografia un tema di contrasto geopolitico. Poiché gli Stati Uniti cercano di impedire all’industria cinese di produrre chip AI all’avanguardia, hanno limitato l’accesso di Pechino a strumenti critici. I sistemi di litografia EUV sono il principale ostacolo per l’industria cinese dei chip.
Il fatto che le capacità di calcolo della seconda economia mondiale dipendano dall’accesso a un singolo strumento prodotto da un’unica azienda descrive il ruolo centrale della litografia nel settore tecnologico mondiale. Si tratta di un’industria straordinariamente complessa, frutto di un’intensa attività di ricerca da parte di una rete mondiale di esperti di ottica e scienza dei materiali, oltre a miliardi di dollari di investimenti. Gli strumenti litografici cinesi sono in ritardo di diverse generazioni rispetto all’avanguardia, mancando di molti componenti chiave, come gli specchi ultrapiatti, e dell’esperienza nell’integrazione di sistemi.
L’industria ha fatto molta strada dal lavoro sulle spolette di Lathrop. Questi lasciò la Texas Instruments nel 1968, dopo aver lavorato lì per un decennio, ed ebbe una cattedra nell’Università di Clemson, dove suo padre aveva studiato e non lontano da dove vivevano i suoi genitori. Lathrop trascorse il resto della sua carriera insegnando, anche se nelle estati degli anni ’70 e ’80 tornava alla TI per lavorare con il suo vecchio amico Jack Kilby a un tentativo, non riuscito, di sviluppare la tecnologia fotovoltaica per l’energia solare. Lathrop si ritirò da Clemson nel 1988, dopo aver lasciato un’impronta su migliaia di studenti di ingegneria elettrica.
Il processo di litografia da lui inventato, nel frattempo, continua a progredire. Tra qualche anno, ASML rilascerà una nuova versione della sua tecnologia EUV, chiamata EUV High-NA (high numerical aperture, cioè ad alta apertura numerica), che consentirà una litografia ancora più precisa. La ricerca su uno strumento futuro con una precisione ancora maggiore è in corso, ma non sappiamo ancora se sarà mai praticamente fattibile o commercializzabile. Dobbiamo sperare che lo sia, perché da esso dipende il futuro della Legge di Moore e dei progressi informatici che essa consente.
Chris Miller è autore di Chip War: The Fight for the World’s Most Critical Technology e professore presso la Fletcher School della Tufts University.
