El silicio ha impulsado el auge tecnológico mundial durante casi 50 años. Ahora hemos exprimido hasta la última gota de su utilidad. La tecnología de fabricación de microprocesadores en la que confiamos está alcanzando serios límites. En 2005, los métodos actuales ya no serán eficaces. Los fabricantes de chips no tienen más remedio que encontrar nuevas formas de colocar más transistores encima del silicio.
Tipo Litografía Ultravioleta Extrema (EUVL). Se espera que esta tecnología mantenga la importancia del silicio hasta finales de este siglo.
El estándar actual de la industria es Litografía UV profunda. Funciona igual que una foto. La luz se enfoca a través de la lente y se graba un patrón de circuito en la oblea de silicio. A los fabricantes les preocupa que esto no continúe. Interviene la física.
El uso de luz ultravioleta extrema (EUV) para grabar transistores lo cambia todo. El microprocesador resultante podría ser 100 veces más rápido que los mejores chips actuales. La grabación de memoria da el mismo paso adelante. Este artículo describe la tecnología de litografía actual y cómo EUVL la reemplazará a partir de 2007.
Hacer patatas fritas
Para entender la revolución, es necesario entender la situación actual. Los microprocesadores o chips de computadora se fabrican mediante fotolitografía. En particular, ahora podemos crear chips dentro de computadoras utilizando litografía UV profunda.
La litografía es básicamente fotografía física. Las cámaras utilizan la luz para grabar imágenes en película. En la fabricación de chips, se utiliza luz para transferir imágenes al sustrato. En este caso, el sustrato es silicio.
El proceso comienza con una máscara. Piense en ello como una plantilla para diseños de circuitos. La luz brilla a través de esta máscara. Luego pasa a través de una serie de lentes ópticas. Estas lentes reducen la imagen. Se proyecta una pequeña imagen sobre una placa de silicio o semiconductor.
El disco está recubierto con un plástico líquido llamado fotorresistente. Sensible a la luz. La máscara se coloca sobre el disco. Cuando la luz incide sobre el silicio, endurece el fotoprotector en las áreas expuestas. El fotoprotector no expuesto permanece viscoso. Los productos químicos eliminan la suciedad. Todo lo que queda es el fotorresistente curado y el silicio expuesto.
El secreto del poder es el tamaño de la longitud de onda. Cuanto más corta sea la longitud de onda, menor será la propiedad. Se pueden alimentar más transistores a la oblea. Más transistores significan microprocesadores más rápidos y eficientes.
Comparemos Intel Pentium 4 y Pentium 3. Pentium 4 contiene 42 millones de transistores. La capacidad del Pentium 3 es de sólo 28 millones. Cuanto mayor sea la densidad, mayor será la velocidad.
Desde 2001, la litografía UV profunda utiliza una longitud de onda de 240 nanómetros. Un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro. La tecnología actual fracasará a medida que los fabricantes avancen hacia longitudes de onda de 100 nm.
¿Por qué? Las lentes de vidrio absorben longitudes de onda más cortas. La luz nunca llega al silicio. No se crea el patrón de circuito. El disco permanece vacío.
Aquí es donde entra en juego EUVL. Las lentes de vidrio han sido reemplazadas por espejos. Los espejos reflejan la luz sin absorberla. Esto asegura que el patrón se transfiera correctamente.
Los chips de próxima generación son al menos cinco veces más eficientes que los fabricados en 2001. Pero hay otra fuerza impulsora detrás de este cambio.
Ley de Moore
Gordon Moore tuvo una visión. Hace más de 35 años, predijo que la densidad de transistores de un microprocesador se duplicaría cada 18 meses. La llamamos Ley de Moore. Este ha sido el caso durante décadas. Las computadoras son cada vez más rápidas. menos. Más fuerte.
Pero en 2001, la industria estaba pasando apuros.
Los expertos creen que la litografía ultravioleta profunda (DUV) alcanzó sus límites físicos alrededor de 2004-2005. Sin nuevos procesos, se infringirá la ley. La narración se detiene. Esta industria necesita un milagro.
Ese milagro es la litografía EUV.
Si la tecnología UV profunda falla, los fabricantes de chips pasarán a la tecnología UV extrema. Se espera que este cambio extienda la Ley de Moore por otros 10 años. ¿objetivo? 2007 Se introduce el microprocesador de 10 GHz.
Pensemos en el estado básico. En mayo de 2001, el procesador Pentium 4 más rápido de Intel funcionaba a una frecuencia de 2,4 GHz. 10 gigahercios es un gran salto. No se trata sólo de velocidad. Se trata de sobrevivir en un mundo cada vez más pequeño.
“La litografía EUV nos permite crear chips con tamaños de características lo suficientemente pequeños como para admitir velocidades de reloj de 10 GHz. Sin embargo, eso no siempre es posible”.
– Don Sweeney, Director del Programa de Litografía EUV, Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
El cuello de botella es la escala. La luz ultravioleta profunda puede dar forma a circuitos de hasta 100 nanómetros de tamaño. Es el techo. El EUV puede disminuir aún más.
“Necesitamos fabricar circuitos integrados de hasta 30 nanómetros”, dijo Sweeney. “Con la litografía EUV es claramente posible”.
Menos funcionalidad significa más transistores por chip. Cuantos más transistores, mayor será la velocidad del reloj. El cálculo es fácil. No es así en la tecnología.
Batalla por el acceso a EUVL
Quienes controlan la tecnología controlan el futuro.
En abril de 2001, un consorcio llamado EUV LLC lanzó el primer prototipo de una máquina de litografía EUV a gran escala. Ésta es una tarea difícil.
EUV LLC es más que una simple empresa. Esta es una liga de gigantes.
-Intel
-AMD
-IBM
– Micras
– Infineon
-Motorola
Los competidores colaboraron con tres instalaciones de investigación del DOE. Este grupo se conoce colectivamente como Laboratorios Nacionales Virtuales. Esto incluye:
-Laboratorios Nacionales Sandia
– Laboratorio Nacional Lawrence Livermore
– Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
¿Por qué cooperar? Los costes son prohibitivos para las empresas individuales. Hay demasiado en juego. Pero la recompensa está ahí.
El principal beneficio de unirse a una alianza es la prioridad. Los miembros tienen primer acceso a la nueva tecnología. Si no participa, quedará atrapado en el antiguo proceso DUV. Al final te quedarás atrás.
La carrera por los procesadores de 10 GHz ha comenzado. Y todo comienza con la luz.
El núcleo de la litografía ultravioleta extrema (EUVL) comienza apuntando a una corriente de gas xenón con un láser. El láser calienta el gas hasta convertirlo en plasma. Se eliminan los electrones y el plasma emite 13 nm de luz. Esta longitud de onda es demasiado corta para que la detecte el ojo humano.
La luz entra al condensador. El condensador recoge la luz y la dirige a la máscara. La máscara no es de cristal. Es un espejo. Absorbentes se aplican a ciertas partes del espejo para bloquear la luz. El otro espejo lo refleja. Esto crea un patrón en una capa del chip de computadora.
Principios físicos de la miniaturización.
El patrón se refleja en 4 a 6 espejos multicapa. Estos espejos reducen el tamaño de la imagen y la enfocan en la oblea de silicio. Cada espejo desvía ligeramente la luz. Funciona como la lente de una cámara, pero con un espejo en lugar de cristal.
La longitud de onda lo es todo. Cuanto más corta sea la longitud de onda, mejor será la imagen. Considere tomar fotografías. La calidad de la imagen depende de muchos factores. La primera es la longitud de onda de la luz. Cuanto más corto, mejor. Esta es una ley natural.
Antes de EUVL, las cosas eran más sencillas. En 2001, la litografía ultravioleta profunda utilizó 248 nanómetros de luz. En mayo de 2001, algunos fabricantes comenzaron a cambiar a luz de 193 nm. EUVL utiliza 13 nm de luz. Cuanto más corta sea la longitud de onda, más claro será el patrón en la oblea. Cuanto más nítido sea el patrón, más rápido será el microprocesador.
Revestimiento de espejo al vacío
Este proceso tiene lugar en el vacío. El aire absorbe estas longitudes de onda cortas. No hay espacio para el gas ambiental.
El espejo está recubierto de molibdeno y silicio. Este recubrimiento refleja casi el 70% de la luz EUV de 13,4 nm. El 30% restante se absorbe. Sin este recubrimiento, la luz desaparecería antes de llegar a la oblea.
“Cuando tomas una foto de algo, la calidad de la foto está determinada por muchos factores… y el primer factor es la longitud de onda de la luz que usaste para tomar la foto.” —Sweeney
El espejo debería quedar casi perfecto. Pequeños defectos en el revestimiento pueden comprometer la geometría óptica. Variaciones en los patrones de circuitos impresos. El chip no funciona correctamente.
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