Křemík je hnacím motorem celosvětového technologického boomu již téměř 50 let. Teď jsme z něj dostali to nejlepší. Mikroprocesorová technologie, na kterou spoléháme, dosahuje vážných limitů. Do roku 2005 již současné metody nebudou účinné. Výrobci čipů nemají jinou možnost, než najít nové způsoby, jak osadit více tranzistorů na povrch křemíku.
Typ Extrémní ultrafialová litografie (EUVL). Očekává se, že tato technologie zachová význam křemíku až do konce tohoto století.
Současným průmyslovým standardem je Hluboká ultrafialová litografie. Funguje to jako fotografie. Světlo je zaostřeno přes čočky a obvod je vyleptán na křemíkový plátek. Výrobci se obávají, že to nebude pokračovat. Fyzika zasahuje.
Použití extrémního ultrafialového (EUV) světla k vyrytí tranzistorů vše mění. Výsledný mikroprocesor může být 100x rychlejší než dnešní nejlepší čipy. Paměť jde také o skok vpřed. Tento článek popisuje současnou litografickou technologii a jak ji EUVL nahradí od roku 2007.
Vytváření žetonů
Pro pochopení revoluce je nutné porozumět současnému stavu věcí. Mikroprocesory nebo počítačové čipy jsou vyrobeny pomocí fotolitografie. Konkrétně nyní můžeme vytvářet čipy uvnitř počítačů pomocí hluboké ultrafialové litografie.
Litografie je v podstatě fyzická fotografie. Fotoaparáty používají světlo k záznamu snímků na film. Při výrobě čipů se světlo používá k přenosu obrazů na substrát. V tomto případě je substrátem křemík.
Proces začíná maskou. Představte si šablonu pro obvodová řešení. Světlo prochází touto maskou. Poté prochází řadou optických čoček. Tyto čočky dělají obraz menší. Malý obraz je promítán na křemíkový nebo polovodičový plátek.
Deska je potažena tekutým plastem nazývaným fotorezist. Citlivý na světlo. Maska se položí na talíř. Když světlo dopadne na křemík, ztvrdne fotorezist v exponovaných oblastech. Neexponovaný fotorezist zůstává viskózní. Chemikálie smyjí přebytek. Zůstane pouze vytvrzený fotorezist a exponovaný křemík.
Tajemství moci spočívá ve velikosti vlnové délky. Čím kratší vlnová délka, tím slabší vlastnost. Na desku lze umístit více tranzistorů. Více tranzistorů znamená rychlejší a účinnější mikroprocesory.
Srovnejme Intel Pentium 4 a Pentium 3. Pentium 4 obsahuje 42 milionů tranzistorů. Pentium 3 má kapacitu pouhých 28 milionů. Čím vyšší hustota, tím vyšší rychlost.
Od roku 2001 využívá hluboká ultrafialová litografie vlnovou délku 240 nanometrů. Nanometr je miliardtina metru. Současná technologie selže, když výrobci přejdou na vlnové délky 100 nm.
Proč? Skleněné čočky absorbují kratší vlnové délky. Světlo nikdy nedosáhne křemíku. Schéma není vytvořeno. Disk zůstává prázdný.
Zde vstupuje do hry EUVL. Skleněné čočky byly nahrazeny zrcadly. Zrcadla odrážejí světlo, aniž by ho pohlcovali. Tím je zajištěno správné přenášení vzoru.
Čipy nové generace jsou nejméně pětkrát účinnější než čipy vyrobené v roce 2001. Za touto změnou je ale ještě jedna hnací síla.
Moorův zákon
Se svým nápadem přišel Gordon Moore. Před více než 35 lety předpověděl, že hustota tranzistorů v mikroprocesoru se každých 18 měsíců zdvojnásobí. Říkáme tomu Moorův zákon. Tak tomu bylo po celá desetiletí. Počítače byly rychlejší a rychlejší. Méně. Silnější.
Ale v roce 2001 se průmysl potýkal s problémy.
Odborníci se domnívají, že hluboká ultrafialová litografie (DUV) dosáhla svých fyzikálních limitů kolem let 2004–2005. Bez nových technologií bude zákon porušován. Příběh skončí. Tento průmysl potřebuje zázrak.
Tento zázrak je EUV litografie.
Pokud selže technologie hlubokého ultrafialového záření, výrobci čipů přejdou na technologii extrémního ultrafialového záření. Očekává se, že tento přechod prodlouží Moorův zákon o dalších 10 let. Cíl? V roce 2007 uvést na trh mikroprocesor s taktovací frekvencí 10 GHz.
Podívejme se na základní linii. V květnu 2001 běžel nejrychlejší procesor Intel Pentium 4 na frekvenci 2,4 GHz. 10 gigahertzů je obrovský skok. Není to jen o rychlosti. Jde o přežití ve světě, který se zmenšuje.
“EUV litografie nám umožňuje vytvářet čipy s dostatečně velkými vlastnostmi, aby podporovaly taktovací frekvence 10 GHz. To však není vždy možné.”
— Don Sweeney, ředitel litografického programu EUV, Lawrence Livermore National Laboratory
Úzkým místem je měřítko. Hluboké ultrafialové světlo může vytvářet obrazce o velikosti až 100 nanometrů. Tohle je strop. EUV může rozměry ještě více zmenšit.
“Potřebujeme vyrobit integrované obvody až na 30 nanometrů,” řekl Sweeney. “S EUV litografií je to zcela možné.”
Menší velikost znamená více tranzistorů na čipu. Čím více tranzistorů, tím vyšší hodinová frekvence. Matematika je jednoduchá. Ale v technologii není všechno tak jednoduché.
Bojujte o přístup k EUVL
Ti, kdo ovládají technologie, ovládají budoucnost.
V dubnu 2001 uvedlo konsorcium EUV LLC na trh první prototyp plně funkčního litografického stroje EUV. To je obtížný úkol.
EUV LLC je více než jen společnost. Tohle je liga obrů.
- Intel
- AMD
- IBM
- Mikron
- Infineon
- Motorola
Soutěžící spolupracovali se třemi výzkumnými centry amerického ministerstva energetiky (DOE). Tato skupina je souhrnně známá jako Virtual National Laboratories. Zahrnuje:
– Sandia National Laboratory
– Národní laboratoř Lawrence Livermore
– Národní laboratoř Lawrence Berkeley
Proč spolupracovat? Náklady pro jednotlivé společnosti jsou neúměrné. Sázky jsou příliš vysoké. Ale je tu i odměna.
Hlavní výhodou účasti v alianci je priorita. Účastníci získají první přístup k novým technologiím. Pokud se nezúčastníte, zůstane vám zastaralý proces DUV. Nakonec budete pozadu.
Závod o 10 GHz procesory začal. A vše začíná světlem.
Základem extrémní ultrafialové litografie (EUVL) začíná laserové ozařování proudu xenonového plynu. Laser ohřívá plyn do plazmového stavu. Elektrony jsou odstraněny a plazma emituje světlo o vlnové délce 13 nm. Tato vlnová délka je příliš krátká na to, aby byla vnímána lidským okem.
Světlo vstupuje do kondenzátoru. Kondenzátor shromažďuje světlo a směřuje ho do masky. Maska není skleněná, ale je zrcadlová. Některé oblasti zrcadla jsou potaženy absorbéry, které blokují světlo. Zbytek zrcadla odráží světlo. Takto se vytváří vzor na jedné vrstvě počítačového čipu.
Fyzikální principy miniaturizace
Vzor se odráží od 4–6 vícevrstvých zrcadel. Tato zrcadla zmenšují velikost obrazu a zaostřují jej na křemíkový plátek. Každé zrcadlo trochu láme světlo. Princip fungování je podobný objektivu fotoaparátu, ale místo skla je použito zrcadlo.
Vlnová délka je kritická. Čím kratší vlnová délka, tím lepší kvalita obrazu. Podívejme se na příklad se statickými fotografiemi. Kvalita obrazu závisí na mnoha faktorech. První z nich je vlnová délka světla. Čím kratší, tím lepší. To je přirozený zákon.
Před EUVL bylo vše jednodušší. V roce 2001 bylo pro hlubokou ultrafialovou litografii použito světlo o vlnové délce 248 nm. V květnu 2001 začali někteří výrobci přecházet na světlo 193 nm. EUVL využívá světlo o vlnové délce 13 nm. Čím kratší je vlnová délka, tím jasnější je vzor na desce. Čím jasnější je vzor, tím rychleji mikroprocesor pracuje.
Lakování zrcadel ve vakuu
Tento proces probíhá ve vakuu. Vzduch absorbuje tyto krátké vlnové délky. V přítomnosti okolního plynu je proces nemožný.
Zrcadlo je potaženo molybdenem a křemíkem. Tento povlak odráží téměř 70 % EUV světla o vlnové délce 13,4 nm. Zbývajících 30 % se vstřebá. Bez tohoto povlaku by světlo zmizelo dříve, než by se dostalo na desku.
“Když něco fotíte, kvalita fotografie je určena mnoha faktory… a prvním faktorem je vlnová délka světla, které jste použili k pořízení fotografie.” — Sweeney
Zrcadlo by mělo být téměř dokonalé. Malé defekty povlaku mohou narušit optickou geometrii. To vede k deformacím v návrhu desky s plošnými spoji. Čip přestane správně fungovat.
[Související články: Jak fungují polovodiče, jak fungují mikroprocesory, test znalostí CPU, jak fungují počítače, jak fungují fotoaparáty, jak fungují lasery, jak funguje litografie, lze kondicionovat počítačové čipy?]
[Další odkazy: EUVL: Imagining the Future, Keeping Moore’s Law “Relevant”, Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography, Intel: How Chips Are Made, Scientific American: Getting More from Moore’s Law]
