Il silicio ha guidato il boom tecnologico globale per quasi 50 anni. Ora abbiamo spremuto ogni goccia della sua utilità. La tecnologia di produzione dei microprocessori su cui facciamo affidamento sta raggiungendo seri limiti. Entro il 2005 i metodi attuali non saranno più efficaci. I produttori di chip non hanno altra scelta che trovare nuovi modi per mettere più transistor sopra il silicio.
Tipo Litografia ultravioletta estrema (EUVL). Si prevede che questa tecnologia manterrà l’importanza del silicio fino alla fine di questo secolo.
L’attuale standard del settore è la litografia UV profonda. Funziona proprio come una foto. La luce viene focalizzata attraverso la lente e sul wafer di silicio è inciso uno schema circuitale. I produttori temono che ciò non continui. Interviene la fisica.
L’uso della luce ultravioletta estrema (EUV) per incidere i transistor cambia tutto. Il microprocessore risultante potrebbe essere 100 volte più veloce dei migliori chip odierni. La registrazione della memoria fa lo stesso balzo in avanti. Questo articolo descrive l’attuale tecnologia di litografia e come EUVL la sostituirà a partire dal 2007 circa.
Prepara le patatine
Per comprendere la rivoluzione, è necessario comprendere la situazione attuale. I microprocessori o i chip dei computer sono realizzati utilizzando la fotolitografia. In particolare, ora possiamo creare chip all’interno dei computer utilizzando la litografia UV profonda.
La litografia è fondamentalmente la fotografia fisica. Le fotocamere utilizzano la luce per registrare le immagini su pellicola. Nella produzione dei chip, la luce viene utilizzata per trasferire le immagini sul substrato. In questo caso il substrato è silicio.
Il processo inizia con una maschera. Consideralo come un modello per la progettazione di circuiti. La luce splende attraverso questa maschera. Passa quindi attraverso una serie di lenti ottiche. Queste lenti riducono l’immagine. Una piccola immagine viene proiettata su una piastra di silicio o semiconduttore.
Il disco è rivestito con una plastica liquida chiamata fotoresist. Sensibile alla luce. La maschera viene posizionata sul disco. Quando la luce colpisce il silicio, indurisce il fotoresist nelle aree esposte. Il fotoresist non esposto rimane viscoso. Le sostanze chimiche lavano via lo sporco. Tutto ciò che rimane è il fotoresist polimerizzato e il silicio esposto.
Il segreto del potere è la dimensione della lunghezza d’onda. Più corta è la lunghezza d’onda, più piccola è la proprietà. È possibile alimentare più transistor sul wafer. Più transistor significano microprocessori più veloci ed efficienti.
Confrontiamo Intel Pentium 4 e Pentium 3. Il Pentium 4 contiene 42 milioni di transistor. La capacità del Pentium 3 è di soli 28 milioni. Maggiore è la densità, maggiore è la velocità.
Dal 2001, la litografia UV profonda utilizza una lunghezza d’onda di 240 nanometri. Un nanometro è un miliardesimo di metro. La tecnologia attuale fallirà man mano che i produttori si orienteranno verso lunghezze d’onda di 100 nm.
Perché? Le lenti in vetro assorbono le lunghezze d’onda più corte. La luce non raggiunge mai il silicio. Lo schema del circuito non viene creato. Il disco rimane vuoto.
È qui che entra in gioco l’EUVL. Le lenti in vetro sono state sostituite con specchi. Gli specchi riflettono la luce senza assorbirla. Ciò garantisce che il pattern venga trasferito correttamente.
I chip della prossima generazione sono almeno cinque volte più efficienti di quelli realizzati nel 2001. Ma c’è un’altra forza trainante dietro questo cambiamento.
Legge di Moore
Gordon Moore ebbe una visione. Più di 35 anni fa predisse che la densità dei transistor di un microprocessore sarebbe raddoppiata ogni 18 mesi. La chiamiamo Legge di Moore. È così da decenni. I computer stanno diventando sempre più veloci. meno. Più forte.
Ma nel 2001 l’industria era in difficoltà.
Gli esperti ritengono che la litografia ultravioletta profonda (DUV) abbia raggiunto i suoi limiti fisici intorno al 2004-2005. Senza nuovi processi, la legge verrà infranta. La narrazione si ferma. Questo settore ha bisogno di un miracolo.
Quel miracolo è la litografia EUV.
Se la tecnologia UV profonda fallisce, i produttori di chip passeranno alla tecnologia UV estrema. Si prevede che questo cambiamento estenderà la Legge di Moore per altri 10 anni. bersaglio? 2007 Introdotto il microprocessore da 10 GHz.
Pensiamo allo stato di base. Nel maggio 2001, il processore Pentium 4 più veloce di Intel funzionava alla frequenza di 2,4 GHz. 10 gigahertz sono un grande salto. Non è solo una questione di velocità. Si tratta di sopravvivere in un mondo in contrazione.
“La litografia EUV ci consente di creare chip con dimensioni sufficientemente piccole da supportare velocità di clock di 10 GHz. Tuttavia, ciò non è sempre possibile.”
– Don Sweeney, direttore del programma di litografia EUV, Lawrence Livermore National Laboratory
Il collo di bottiglia è la scala. La luce ultravioletta profonda può modellare circuiti di dimensioni fino a 100 nanometri. E’ il soffitto. L’EUV può diminuire ulteriormente.
“Dobbiamo realizzare circuiti integrati fino a 30 nanometri”, ha affermato Sweeney. “Con la litografia EUV è chiaramente possibile.”
Meno funzionalità significa più transistor per chip. Maggiore è il numero di transistor, maggiore è la velocità di clock. Il calcolo è facile. Non così nella tecnologia.
Battaglia per l’accesso all’EUVL
Coloro che controllano la tecnologia controllano il futuro.
Nell’aprile 2001, un consorzio chiamato EUV LLC ha lanciato il primo prototipo di una macchina litografica EUV su larga scala. Questo è un compito difficile.
EUV LLC è più di una semplice azienda. Questa è una lega di giganti.
- Intel
-AMD
-IBM - Micron
- Infineon
- Motorola
I concorrenti hanno collaborato con tre strutture di ricerca del DOE. Questo gruppo è collettivamente noto come Laboratori Nazionali Virtuali. Ciò include:
-Laboratori Nazionali Sandia
– Laboratorio Nazionale Lawrence Livermore
– Laboratorio Nazionale Lawrence Berkeley
Perché collaborare? I costi sono proibitivi per le singole aziende. La posta in gioco è troppo alta. Ma la ricompensa c’è.
Il vantaggio principale dell’adesione ad un’alleanza è la priorità. I membri hanno il primo accesso alle nuove tecnologie. Se non partecipi, rimani bloccato con il vecchio processo DUV. Alla fine rimarrai indietro.
La corsa ai processori da 10 GHz è iniziata. E tutto inizia dalla luce.
Il nucleo della litografia ultravioletta estrema (EUVL) inizia prendendo di mira un flusso di gas xeno con un laser. Il laser riscalda il gas finché non diventa plasma. Gli elettroni vengono rimossi e il plasma emette 13 nm di luce. Questa lunghezza d’onda è troppo corta per essere rilevata dall’occhio umano.
La luce entra nel condensatore. Il condensatore raccoglie la luce e la dirige verso la maschera. La maschera non è di vetro. È uno specchio. Gli assorbitori vengono applicati ad alcune parti dello specchio per bloccare la luce. L’altro specchio lo riflette. Questo crea un modello su uno strato del chip del computer.
Principi fisici della miniaturizzazione
Il motivo viene riflesso da 4-6 specchi multistrato. Questi specchi riducono le dimensioni dell’immagine e la focalizzano sul wafer di silicio. Ogni specchio devia leggermente la luce. Funziona come l’obiettivo di una fotocamera, ma con uno specchio al posto del vetro.
La lunghezza d’onda è tutto. Più corta è la lunghezza d’onda, migliore è l’immagine. Considera l’idea di scattare delle foto. La qualità dell’immagine dipende da molti fattori. Il primo è la lunghezza d’onda della luce. Più corto è, meglio è. Questa è una legge naturale.
Prima dell’EUVL le cose erano più semplici. Nel 2001, la litografia UV profonda utilizzava 248 nanometri di luce. Nel maggio 2001, alcuni produttori iniziarono a passare alla luce da 193 nm. EUVL utilizza 13 nm di luce. Più corta è la lunghezza d’onda, più chiaro sarà il disegno sul wafer. Quanto più nitido è il pattern, tanto più veloce è il microprocessore.
Rivestimento a specchio sottovuoto
Questo processo avviene nel vuoto. L’aria assorbe queste lunghezze d’onda corte. Non c’è spazio per il gas ambientale.
Lo specchio è rivestito di molibdeno e silicio. Questo rivestimento riflette quasi il 70% della luce EUV da 13,4 nm. Il restante 30% viene assorbito. Senza questo rivestimento la luce scomparirebbe prima di raggiungere il wafer.
“Quando scatti una foto a qualcosa, la qualità della foto è determinata da molti fattori… e il primo fattore è la lunghezza d’onda della luce utilizzata per scattare la foto.” — Sweeney
Lo specchio dovrebbe essere quasi perfetto. Piccoli difetti nel rivestimento possono compromettere la geometria ottica. Variazioni nei modelli di circuiti stampati. Il chip non funziona correttamente.
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