De kleine wolkenkrabberbouwer van ASML

Chips worden steeds kleiner, maar er moeten ook steeds meer onderdelen op passen. Dus stapelen ingenieurs verschillende lagen op elkaar, als kleine wolkenkrabbers van silicium. Zo ontstaan 3D-chips die alles veranderen, van AI tot gaming. Nu heeft ASML een nieuw lithografiesysteem geïntroduceerd dat is ontworpen om het stapelen en verpakken van chips nog efficiënter te maken: de ASML Twinscan XT:260.

Waarom chips stapelen?

Decennialang hebben we computers sneller gemaakt door meer transistors op platte siliciumwafers te proppen. Maar wordt steeds moeilijker en duurder om meer schakelingen op één enkele laag te proppen. 3D-chipverpakking is een elegante oplossing: als je niet breder kunt gaan, ga dan hoger.

Zie het als een upgrade van een uitgestrekte buitenwijk naar strakke hoogbouw in het centrum. In plaats van onderdelen uit te spreiden, stapelen ingenieurs ze laag voor laag, net als verdiepingen in een gebouw. Elke laag kan een processor, geheugen of speciale AI-hardware bevatten, allemaal verbonden door razendsnelle liften, de zogenaamde through-silicon vias (TSV’s).

Moderne toepassingen zoals generatieve AI, zelfrijdende auto’s en cloud computing hebben enorme hoeveelheden gegevens nodig. Gegevens verplaatsen gaat sneller als alles dicht bij elkaar blijft. In 3D-chips leggen signalen slechts microns af in plaats van millimeters. Daardoor gaan vertragingen omlaag en energiegebruik naar beneden.

Toonaangevende techgiganten wachten niet af. Intel's Foveros, TSMC's CoWoS en System-on-Integrated-Chips (SoIC) zetten scifi-dromen al om in producten. De chips uit de M-serie van Apple; De AI-giganten van NVIDIA; De Zen-architectuur van AMD; Ze worden allemaal aangedreven door geavanceerde verpakkingstech, gebaseerd op nauwkeurige 3D-integratie.

Maar het stapelen van chips is niet makkelijk. Stel je voor dat je twee vellen papier met microscopisch kleine bedrading perfect op elkaar moet leggen, zonder fouten, zelfs als één vel een beetje gebogen is. Doe dat miljoenen keren per seconde, over honderden wafers. Daar begint de echte magie.

ASML's oplossing

Nu heeft ASML een nieuw lithografiesysteem geïntroduceerd dat is ontworpen om het stapelen en verpakken van chips nog efficiënter te maken: de ASML Twinscan XT:260. Dit ultramoderne lithografiesysteem is speciaal ontworpen voor wafer-level processen bij geavanceerde chipverpakkingen.

De XT:260 gebruikt ouderwetse i-line lichtbronnen, maar dan supercharged. Hij belicht een oppervlak dat vier keer groter is dan eerdere tools, wat tot vier keer hogere productiviteit oplevert. Terwijl oudere systemen moeite hadden bij te blijven, verwerkt de XT:260 meer dan 200 wafers per uur en kan zo voldoen aan de snelgroeiende vraag door AI en datacenters.

Een van de grootste uitdagingen bij het stapelen van chips is overlay-fouten: wanneer lagen niet perfect op elkaar aansluiten. Zelfs een kleine afwijking kan verbindingen breken en chips defect maken. Eerdere systemen brachten wafers eerst op één lijn en belichtten ze daarna. Maar onder meer hitte en trillingen gooiden roet in het eten.

De XT:260 pakt het anders aan. Hij brengt wafers op één lijn terwijl hij ze belicht. Zie het als het tekenen van een perfecte cirkel op een draaiende plaat – niet erna, maar terwijl hij draait. Deze realtime correctie vermindert fouten, verhoogt de opbrengst en verlaagt de kosten.

Gestapelde chips bestaan vaak uit dikke, ongelijke of licht gebogen wafers. Alles gebeurt op nanoschaal, dus zelfs een “gladde” wafer ziet er met het blote oog perfect uit, maar heeft microscopische onregelmatigheden. Na bakken, lijmen en koelen ontstaan extra imperfecties. Veel oudere machines hebben daar moeite mee. De XT:260 is ontworpen om hiermee om te gaan en zorgt voor consistente kwaliteit, hoe krom de wafer ook is.

ChatGPT en PlayStation 5

Een goed voorbeeld van wat 3D-chips kunnen, is High-Bandwidth Memory (HBM). Dat is extra snelle geheugenhardware, gebruikt in onder meer ChatGPT-servers en PlayStation 5. HBM bestaat uit kleine chiplaagjes die dicht op elkaar gestapeld zijn. De XT:260 helpt bij het maken van deze stapels. Hij tekent patronen op de lagen en zorgt dat koperatomen netjes vastkomen te zitten. Als dit niet heel precies gebeurt, werkt het niet.