Кремній майже 50 років рухав глобальний технологічний бум. Тепер ми вичавили з нього все можливе. Технологія виробництва мікропроцесорів, яку ми покладаємося, досягає серйозних обмежень. До 2005 року поточні методи перестануть бути ефективними. Виробники чіпів не мають вибору, крім знайти нові способи розміщення більшої кількості транзисторів на поверхні кремнію.
Тип Екстремально-ультрафіолетова літографія (EUVL). Очікується, що ця технологія збереже важливість кремнію до кінця цього століття.
Поточний галузевий стандарт – “Глибока ультрафіолетова літографія”. Вона працює подібно до фотографії. Світло фокусується через лінзи і на кремнієвій пластині вигравірується схема. Виробники стурбовані тим, що це не продовжуватиметься. Втручається фізика.
Використання екстремально-ультрафіолетового (EUV) світла для гравіювання транзисторів змінює все. Мікропроцесор, що вийшов, може бути в 100 разів швидше кращих сучасних чіпів. Пам’ять також робить стрибок уперед. У цій статті описується поточна літографічна технологія та те, як EUVL замінить її, починаючи приблизно з 2007 року.
Створення чіпів
Щоб зрозуміти революцію, необхідно зрозуміти поточний стан справ. Мікропроцесори або комп’ютерні чіпи виготовляються за допомогою фотолітографії. Зокрема тепер ми можемо створювати чіпи всередині комп’ютерів, використовуючи глибоку ультрафіолетову літографію.
Літографія – це, по суті, фізична фотографія. Камери використовують світло для запису зображень на плівку. Під час виробництва чіпів світло використовується для перенесення зображень на підкладку. У разі підкладкою є кремній.
Процес починається з маски. Уявіть шаблон для схемних рішень. Світло проходить через маску. Потім він проходить через низку оптичних лінз. Ці лінзи зменшують зображення. Невелике зображення проектується на кремнієву або напівпровідникову пластину.
Платівка покривається рідким пластиком, який називається фоторезистом. Чутливий до світла. Маска розміщується на платівці. Коли світло потрапляє на кремній, воно твердне фоторезистом в експонованих областях. Неекспонований фоторезист залишається в’язким. Хімічні речовини змивають зайве. Все, що залишається, це затверджений фоторезист і оголений кремній.
Секрет потужності полягає у розмірі довжини хвилі. Чим коротша довжина хвилі, тим менша властивість. На пластину можна розмістити більше транзисторів. Більше транзисторів означає більш швидкі та ефективні мікропроцесори.
Давайте порівняємо Intel Pentium 4 та Pentium 3. Pentium 4 містить 42 мільйони транзисторів. Місткість Pentium 3 складає всього 28 мільйонів. Чим вища щільність, тим вища швидкість.
З 2001 року “глибока ультрафіолетова літографія” використовує довжину хвилі 240 нанометрів. Нанометр – це мільярдна частина метра. Поточна технологія дасть збій, коли виробники перейдуть до довжин хвиль 100 нм.
Чому? Скляні лінзи поглинають коротші довжини хвиль. Світло ніколи не досягає кремнію. Схема не створюється. Диск залишається пустим.
Тут входить у гру EUVL. Скляні лінзи були замінені “дзеркалами”. Дзеркала відбивають світло, не поглинаючи його. Це забезпечує правильне перенесення малюнка.
Чіпи наступного покоління як мінімум у п’ять разів ефективніші за чіпи, виготовлені в 2001 році. Але за цією зміною стоїть ще одна рушійна сила.
Закон Мура
Гордон Мур висунув свою ідею. Понад 35 років тому він передбачив, що щільність транзисторів у мікропроцесорі подвоюватиметься кожні 18 місяців. Ми називаємо це законом Мура. Так було протягом десятиліть. Комп’ютери ставали все швидше та швидше. Менше. Потужніше.
Але до 2001 року галузь зіштовхнулася із труднощами.
Експерти вважають, що глибока ультрафіолетова (DUV) літографія досягла своїх фізичних меж приблизно у 2004–2005 роках. Без нових технологій закон буде порушено. Розповідь закінчиться. Ця галузь потребує дива.
Цим дивом є EUV-літографія.
Якщо технологія глибокого ультрафіолету виявиться невдалою, виробники чіпів перейдуть до технології екстремального ультрафіолету. Очікується, що цей перехід продовжить дію закону Мура ще на 10 років. Ціль? У 2007 році випустити мікропроцесор із тактовою частотою 10 ГГц.
Давайте розглянемо базовий стан. У травні 2001 року найшвидший процесор Pentium 4 від Intel працював на частоті 2,4 ГГц. 10 гігагерц – це величезний стрибок. Йдеться не лише про швидкість. Це питання виживання у світі, який стає дедалі менше.
«EUV-літографія дозволяє нам створювати чіпи з розмірами елементів, достатніми для підтримки тактових частот 10 ГГц. Однак це не завжди можливе».
— Дон Свіні, директор програми EUV-літографії, Національна лабораторія Лоуренса Лівермора
Вузьким місцем є масштаб. Глибоке ультрафіолетове світло може формувати схеми розміром до 100 нанометрів. Це стеля. EUV може зменшувати розміри ще більше.
“Нам потрібно створювати інтегральні схеми розміром до 30 нанометрів”, – сказав Свіні. «За допомогою EUV-літографії це цілком можливо».
Найменший розмір означає більше транзисторів на чіпі. Чим більше транзисторів, тим вища тактова частота. Математика проста. Але у технологіях все не так просто.
Боротьба за доступ до EUVL
Ті, хто контролює технологію, контролюють майбутнє.
У квітні 2001 року консорціум EUV LLC запустив перший прототип повнофункціональної машини для EUV-літографії. Це складне завдання.
EUV LLC – це більше, ніж просто компанія. Це ліга гігантів.
- Intel
- AMD
- IBM
- Micron
- Infineon
- Motorola
Конкуренти співпрацювали із трьома дослідницькими центрами Міністерства енергетики США (DOE). Ця група відома як Віртуальні національні лабораторії. До неї входять:
– Національна лабораторія Сандія
– Національна лабораторія Лоуренса Лівермора
– Національна лабораторія Лоуренса Берклі
Навіщо співпрацювати? Витрати окремих компаній непомірно високі. Ставки надто великі. Але й нагорода є.
Головна перевага участі в альянсі – пріоритет. Учасники отримують перший доступ до нових технологій. Якщо ви не берете участь, ви залишаєтеся із застарілим процесом DUV. Зрештою ви відстанете.
Гонка за процесорами 10 ГГц розпочалася. І все починається зі світла.
Основа літографії в екстремальному ультрафіолеті (EUVL) починається з опромінення лазером потоку газу ксенону. Лазер нагріває газ до плазми. Електрони видаляються, і плазма випромінює світло із довжиною хвилі 13 нм. Ця довжина хвилі занадто коротка сприйняття людським оком.
Світло потрапляє в конденсор. Конденсор збирає світло і направляє його на маску. Маска зроблена не зі скла, а є дзеркало. На певні ділянки дзеркала нанесені поглиначі, що блокують світло. Решта дзеркала відбиває світло. Так формується малюнок одному шарі комп’ютерного чіпа.
Фізичні принципи мініатюризації
Малюнок відображається від 4-6 багатошарових дзеркал. Ці дзеркала зменшують розмір зображення та фокусують його на кремнієвій пластині. Кожне дзеркало трохи заломлює світло. Принцип роботи нагадує об’єктив камери, але замість скла використовується дзеркало.
Довжина хвилі має вирішальне значення. Чим коротша довжина хвилі, тим краща якість зображення. Розглянемо приклад із статичними фотографіями. Якість зображення залежить від багатьох факторів. Перший — довжина хвилі світла. Чим вона коротша, тим краще. Це природний закон.
До появи EUVL все було простіше. У 2001 році для глибокої ультрафіолетової літографії використовувалося світло з довжиною хвилі 248 нм. До травня 2001 року деякі виробники почали переходити на світ із довжиною хвилі 193 нм. EUVL використовує світло з довжиною хвилі 13 нм. Чим коротша довжина хвилі, тим чіткіший малюнок на пластині. Чим чіткіший малюнок, тим швидше працює мікропроцесор.
Покриття дзеркал у вакуумі
Цей процес відбувається у вакуумі. Повітря поглинає ці короткі довжини хвиль. У присутності навколишнього газу процес неможливий.
Дзеркало покривається молібденом та кремнієм. Таке покриття відбиває майже 70% EUV-світла з довжиною хвилі 13,4 нм. 30%, що залишилися, поглинаються. Без цього покриття світло зникло б, не досягнувши пластини.
«Коли ви робите фотографію чогось, якість знімка визначається безліччю факторів… і першим фактором є довжина хвилі світла, яке ви використовували для зйомки». – Свині
Дзеркало має бути практично ідеальним. Невеликі дефекти покриття можуть порушити оптичну геометрію. Це призводить до спотворень у малюнку друкованих плат. Чіп перестає працювати коректно.
[Пов’язані статті: Як працюють напівпровідники, Як працюють мікропроцесори, Тест на знання CPU, Як працюють комп’ютери, Як працюють камери, Як працюють лазери, Як працює літографія, Чи можна кондиціонувати комп’ютерні чіпи?]
[Інші посилання: EUVL: Уявивши майбутнє, Збереження закону Мура «більш» актуальним, Екстремальна ультрафіолетова (EUV) літографія, Intel: Як виготовляються чіпи, «Scientific American»: Отримання більшого від закону Мура]
