Seit fast 50 Jahren ist Silizium der Motor des globalen Technologiebooms. Jetzt haben wir jeden Tropfen seiner Nützlichkeit ausgeschöpft. Die Mikroprozessor-Fertigungstechnologie, auf die wir uns verlassen, stößt an ihre Grenzen. Bis 2005 werden die derzeitigen Methoden nicht mehr wirksam sein. Chiphersteller haben keine andere Wahl, als neue Wege zu finden, um mehr Transistoren auf dem Silizium unterzubringen.
Typ Extrem-Ultraviolett-Lithographie (EUVL). Es wird erwartet, dass diese Technologie die Bedeutung von Silizium bis zum Ende dieses Jahrhunderts beibehalten wird.
Der aktuelle Industriestandard ist Deep UV Lithography. Es funktioniert genau wie ein Foto. Das Licht wird durch die Linse fokussiert und ein Schaltkreismuster wird in den Siliziumwafer eingraviert. Die Hersteller befürchten, dass dies nicht so weitergehen wird. Die Physik greift ein.
Die Verwendung von extrem ultraviolettem (EUV) Licht zum Ätzen von Transistoren verändert alles. Der resultierende Mikroprozessor könnte 100-mal schneller sein als die besten Chips von heute. Die Speicheraufzeichnung macht den gleichen Schritt vorwärts. Dieser Artikel beschreibt die aktuelle Lithographietechnologie und wie EUVL sie ab etwa 2007 ersetzen wird.
Machen Sie Chips
Um die Revolution zu verstehen, ist es notwendig, die aktuelle Situation zu verstehen. Mikroprozessoren oder Computerchips werden mittels Photolithographie hergestellt. Insbesondere können wir jetzt mithilfe der Tiefen-UV-Lithographie Chips in Computern herstellen.
Bei der Lithografie handelt es sich grundsätzlich um physische Fotografie. Kameras nutzen Licht, um Bilder auf Film aufzuzeichnen. Bei der Herstellung von Chips wird Licht verwendet, um Bilder auf das Substrat zu übertragen. In diesem Fall ist das Substrat Silizium.
Der Prozess beginnt mit einer Maske. Betrachten Sie es als Vorlage für Schaltungsentwürfe. Licht scheint durch diese Maske. Anschließend durchläuft es eine Reihe optischer Linsen. Diese Linsen verkleinern das Bild. Ein kleines Bild wird auf eine Silizium- oder Halbleiterplatte projiziert.
Die Scheibe ist mit einem flüssigen Kunststoff namens Fotolack beschichtet. Lichtempfindlich. Die Maske wird auf die Scheibe gelegt. Wenn Licht auf das Silizium trifft, härtet es den Fotolack in den belichteten Bereichen aus. Unbelichteter Fotolack bleibt viskos. Die Chemikalien waschen den Schmutz weg. Übrig bleiben nur der ausgehärtete Fotolack und das freigelegte Silizium.
Das Geheimnis der Leistung liegt in der Größe der Wellenlänge. Je kürzer die Wellenlänge, desto kleiner ist die Eigenschaft. Dem Wafer können weitere Transistoren zugeführt werden. Mehr Transistoren bedeuten schnellere und effizientere Mikroprozessoren.
Vergleichen wir Intel Pentium 4 und Pentium 3. Pentium 4 enthält 42 Millionen Transistoren. Die Kapazität des Pentium 3 beträgt nur 28 Millionen. Je höher die Dichte, desto höher die Geschwindigkeit.
Seit 2001 nutzt die Tief-UV-Lithographie eine Wellenlänge von 240 Nanometern. Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter. Die derzeitige Technologie wird scheitern, wenn die Hersteller auf Wellenlängen von 100 nm umsteigen.
Warum? Glaslinsen absorbieren kürzere Wellenlängen. Licht erreicht das Silizium nie. Schaltkreismuster wird nicht erstellt. Die Festplatte bleibt leer.
Hier kommt EUVL ins Spiel. Glaslinsen wurden durch Spiegel ersetzt. Spiegel reflektieren Licht, ohne es zu absorbieren. Dadurch wird sichergestellt, dass das Muster korrekt übertragen wird.
Die Chips der nächsten Generation sind mindestens fünfmal effizienter als die Chips aus dem Jahr 2001. Doch es gibt noch eine weitere treibende Kraft hinter diesem Wandel.
Moores Gesetz
Gordon Moore hatte eine Vision. Vor mehr als 35 Jahren sagte er voraus, dass sich die Transistordichte eines Mikroprozessors alle 18 Monate verdoppeln würde. Wir nennen es Moores Gesetz. Das ist schon seit Jahrzehnten so. Computer werden immer schneller. weniger. Stärker.
Doch 2001 geriet die Branche in Schwierigkeiten.
Experten gehen davon aus, dass die Lithographie im tiefen Ultraviolett (DUV) etwa zwischen 2004 und 2005 ihre physikalischen Grenzen erreichte. Ohne neue Prozesse wird das Gesetz gebrochen. Die Erzählung stoppt. Diese Branche braucht ein Wunder.
Dieses Wunder ist EUV-Lithographie.
Wenn die Tief-UV-Technologie versagt, werden die Chiphersteller auf die Extrem-UV-Technologie umsteigen. Es wird erwartet, dass diese Änderung das Mooresche Gesetz um weitere 10 Jahre verlängert. Ziel? 2007 Einführung des 10-GHz-Mikroprozessors.
Denken wir über den Primärzustand nach. Im Mai 2001 arbeitete Intels schnellster Pentium 4-Prozessor mit einer Frequenz von 2,4 GHz. 10 Gigahertz sind ein großer Sprung. Es geht nicht nur um Geschwindigkeit. Es geht ums Überleben in einer schrumpfenden Welt.
„Mit der EUV-Lithographie können wir Chips mit Strukturgrößen herstellen, die klein genug sind, um Taktraten von 10 GHz zu unterstützen. Das ist jedoch nicht immer möglich.“
– Don Sweeney, Programmdirektor für EUV-Lithographie, Lawrence Livermore National Laboratory
Der Flaschenhals ist die Größe. Tiefes ultraviolettes Licht kann Schaltkreise mit einer Größe von bis zu 100 Nanometern formen. Es ist die Decke. EUV kann noch weiter sinken.
„Wir müssen integrierte Schaltkreise bis zu 30 Nanometern herstellen“, sagte Sweeney. „Mit der EUV-Lithographie ist das eindeutig möglich.“
Weniger Funktionalität bedeutet mehr Transistoren pro Chip. Je mehr Transistoren, desto höher die Taktrate. Die Berechnung ist einfach. Nicht so in der Technik.
Kampf um EUVL-Zugang
Wer die Technologie kontrolliert, kontrolliert die Zukunft.
Im April 2001 brachte ein Konsortium namens EUV LLC den ersten Prototyp einer vollwertigen EUV-Lithographiemaschine auf den Markt. Das ist eine schwierige Aufgabe.
EUV LLC ist mehr als nur ein Unternehmen. Das ist eine Liga der Giganten.
- Intel
-AMD
-IBM - Mikron
- Infineon
- Motorola
Die Wettbewerber arbeiteten mit drei DOE-Forschungseinrichtungen zusammen. Diese Gruppe wird zusammenfassend als Virtual National Laboratories bezeichnet. Dazu gehört:
-Sandia National Laboratories
– Lawrence Livermore National Laboratory
– Lawrence Berkeley National Laboratory
Warum kooperieren? Für einzelne Unternehmen sind die Kosten prohibitiv. Der Einsatz ist zu hoch. Aber die Belohnung ist da.
Der Hauptvorteil des Beitritts zu einer Allianz ist die Priorität. Mitglieder haben ersten Zugang zu neuer Technologie. Wenn Sie nicht teilnehmen, bleiben Sie beim alten DUV-Prozess hängen. Irgendwann wirst du ins Hintertreffen geraten.
Das Rennen um 10-GHz-Prozessoren ist eröffnet. Und alles beginnt mit Licht.
Der Kern der extremen Ultraviolett-Lithographie (EUVL) beginnt mit der gezielten Ausrichtung eines Xenon-Gasstroms mit einem Laser. Der Laser erhitzt das Gas, bis es zu einem Plasma wird. Die Elektronen werden entfernt und das Plasma emittiert 13 nm Licht. Diese Wellenlänge ist zu kurz, als dass das menschliche Auge sie erkennen könnte.
Das Licht gelangt in den Kondensator. Der Kondensator sammelt Licht und leitet es zur Maske. Die Maske ist nicht aus Glas. Es ist ein Spiegel. Absorber werden an bestimmten Stellen des Spiegels angebracht, um das Licht zu blockieren. Der andere Spiegel spiegelt es wider. Dadurch entsteht ein Muster auf einer Schicht des Computerchips.
Physikalische Prinzipien der Miniaturisierung
Das Muster wird von 4–6 Mehrschichtspiegeln reflektiert. Diese Spiegel verkleinern das Bild und fokussieren es auf den Siliziumwafer. Jeder Spiegel beugt das Licht leicht. Es funktioniert wie ein Kameraobjektiv, jedoch mit einem Spiegel anstelle von Glas.
Wellenlänge ist alles. Je kürzer die Wellenlänge, desto besser das Bild. Erwägen Sie die Aufnahme von Standbildern. Die Bildqualität hängt von vielen Faktoren ab. Die erste ist die Wellenlänge des Lichts. Je kürzer desto besser. Das ist ein Naturgesetz.
Vor EUVL waren die Dinge einfacher. Im Jahr 2001 wurden bei der Tiefen-UV-Lithographie 248 Nanometer Licht verwendet. Im Mai 2001 begannen einige Hersteller mit der Umstellung auf 193-nm-Licht. EUVL verwendet 13 nm Licht. Je kürzer die Wellenlänge, desto klarer ist das Muster auf dem Wafer. Je schärfer das Muster, desto schneller ist der Mikroprozessor.
Vakuumspiegelbeschichtung
Dieser Prozess findet im Vakuum statt. Luft absorbiert diese kurzen Wellenlängen. Es gibt keinen Platz für Umgebungsgas.
Der Spiegel ist mit Molybdän und Silizium beschichtet. Diese Beschichtung reflektiert fast 70 % des EUV-Lichts mit 13,4 nm. Die restlichen 30 % werden absorbiert. Ohne diese Beschichtung würde das Licht verschwinden, bevor es den Wafer erreicht.
„Wenn Sie ein Foto von etwas machen, wird die Qualität des Fotos von vielen Faktoren bestimmt … und der erste Faktor ist die Wellenlänge des Lichts, mit dem Sie das Foto aufgenommen haben.“ – Sweeney
Der Spiegel sollte nahezu perfekt sein. Kleine Defekte in der Beschichtung können die optische Geometrie beeinträchtigen. Variationen in gedruckten Schaltungsmustern. Der Chip funktioniert nicht richtig.
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[Andere Links: EUVL: Imagining the Future, Keeping Moore’s Law “More”, Extreme Ultraviolet (EUV) Lithography, Intel: How Chips Are Made, “Scientific American”: Getting More from Moore’s Law]
