Silicium is al bijna vijftig jaar de drijvende kracht achter de mondiale technologische bloei. Nu hebben we elke druppel van zijn nut eruit geperst. De productietechnologie voor microprocessors waarop we vertrouwen, bereikt ernstige grenzen. In 2005 zullen de huidige methoden niet langer effectief zijn. Chipfabrikanten hebben geen andere keuze dan nieuwe manieren te vinden om meer transistors bovenop het silicium te plaatsen.
Type Extreme ultraviolette lithografie (EUVL). Verwacht wordt dat deze technologie het belang van silicium tot het einde van deze eeuw zal behouden.
De huidige industriestandaard is Diepe UV-lithografie. Het werkt net als een foto. Het licht wordt door de lens gefocusseerd en er wordt een circuitpatroon op de siliciumwafel gegraveerd. Fabrikanten zijn bezorgd dat dit niet zal doorgaan. De natuurkunde komt tussenbeide.
Het gebruik van extreem ultraviolet (EUV) licht om transistors te etsen verandert alles. De resulterende microprocessor zou 100 keer sneller kunnen zijn dan de beste chips van vandaag. Geheugenopname maakt dezelfde sprong voorwaarts. Dit artikel beschrijft de huidige lithografietechnologie en hoe EUVL deze vanaf ongeveer 2007 zal vervangen.
Maak chips
Om de revolutie te begrijpen, is het noodzakelijk om de huidige situatie te begrijpen. Microprocessors of computerchips worden gemaakt met behulp van fotolithografie. We kunnen nu met name chips in computers maken met behulp van diepe UV-lithografie.
Lithografie is in feite fysieke fotografie. Camera’s gebruiken licht om beelden op film vast te leggen. Bij de vervaardiging van chips wordt licht gebruikt om afbeeldingen op het substraat over te brengen. In dit geval is het substraat silicium.
Het proces begint met een masker. Zie het als een sjabloon voor circuitontwerpen. Er schijnt licht door dit masker. Vervolgens gaat het door een reeks optische lenzen. Deze lenzen verminderen het beeld. Op een silicium- of halfgeleiderplaat wordt een klein beeld geprojecteerd.
De schijf is bedekt met een vloeibaar plastic dat fotoresist wordt genoemd. Gevoelig voor licht. Het masker wordt op de schijf geplaatst. Wanneer licht op het silicium valt, verhardt het de fotoresist in de blootgestelde gebieden. Onbelichte fotoresist blijft viskeus. De chemicaliën wassen het vuil weg. Het enige dat overblijft is de uitgeharde fotoresist en het blootgestelde silicium.
Het geheim van kracht is de grootte van de golflengte. Hoe korter de golflengte, hoe kleiner de eigenschap. Er kunnen meer transistors naar de wafer worden gevoerd. Meer transistors betekent snellere en efficiëntere microprocessors.
Laten we Intel Pentium 4 en Pentium 3 vergelijken. Pentium 4 bevat 42 miljoen transistors. De capaciteit van Pentium 3 bedraagt slechts 28 miljoen. Hoe hoger de dichtheid, hoe hoger de snelheid.
Sinds 2001 gebruikt diepe UV-lithografie een golflengte van 240 nanometer. Een nanometer is een miljardste van een meter. De huidige technologie zal falen als fabrikanten richting golflengten van 100 nm gaan.
Waarom? Glazen lenzen absorberen kortere golflengten. Licht bereikt het silicium nooit. Er wordt geen schakelpatroon gemaakt. De schijf blijft leeg.
Dit is waar EUVL in het spel komt. Glazen lenzen zijn vervangen door spiegels. Spiegels reflecteren licht zonder het te absorberen. Dit zorgt ervoor dat het patroon correct wordt overgedragen.
De volgende generatie chips zijn minstens vijf keer efficiënter dan de chips uit 2001. Maar er is nog een drijvende kracht achter deze verandering.
De wet van Moore
Gordon Moore had een visioen. Ruim 35 jaar geleden voorspelde hij dat de transistordichtheid van een microprocessor elke 18 maanden zou verdubbelen. Wij noemen het de wet van Moore. Dit is al tientallen jaren het geval. Computers worden steeds sneller. minder. Sterker.
Maar in 2001 had de industrie het moeilijk.
Deskundigen zijn van mening dat de diep-ultraviolette (DUV)-lithografie rond 2004-2005 zijn fysieke grenzen bereikte. Zonder nieuwe processen zal de wet worden overtreden. Het verhaal stopt. Deze industrie heeft een wonder nodig.
Dat wonder is EUV-lithografie.
Als de diepe UV-technologie faalt, zullen chipmakers overstappen op extreme UV-technologie. Verwacht wordt dat deze wijziging de wet van Moore met nog eens tien jaar zal verlengen. doel? 2007 Introductie van 10 GHz-microprocessor.
Laten we eens nadenken over de basistoestand. In mei 2001 werkte Intel’s snelste Pentium 4-processor op een frequentie van 2,4 GHz. 10 gigahertz is een grote sprong. Het gaat niet alleen om snelheid. Het gaat over overleven in een krimpende wereld.
“EUV-lithografie stelt ons in staat chips te maken met functiegroottes die klein genoeg zijn om kloksnelheden van 10 GHz te ondersteunen. Dat is echter niet altijd mogelijk.”
– Don Sweeney, programmadirecteur EUV-lithografie, Lawrence Livermore National Laboratory
Het knelpunt is schaalgrootte. Diep ultraviolet licht kan circuits tot 100 nanometer groot vormen. Het is het plafond. EUV kan nog verder afnemen.
“We moeten geïntegreerde schakelingen maken tot 30 nanometer”, zei Sweeney. “Met EUV-lithografie is het duidelijk mogelijk.”
Minder functionaliteit betekent meer transistors per chip. Hoe meer transistors, hoe hoger de kloksnelheid. De berekening is eenvoudig. Niet zo in de technologie.
Strijd om EUVL-toegang
Degenen die de technologie beheersen, beheersen de toekomst.
In april 2001 lanceerde een consortium genaamd EUV LLC het eerste prototype van een volledige EUV-lithografiemachine. Dit is een moeilijke taak.
EUV LLC is meer dan alleen een bedrijf. Dit is een liga van reuzen.
-Intel
-AMD
-IBM
– Micron
– Infineon
– Motorola
De concurrenten werkten samen met drie DOE-onderzoeksfaciliteiten. Deze groep staat gezamenlijk bekend als de Virtuele Nationale Laboratoria. Dit omvat:
-Sandia Nationale Laboratoria
-Lawrence Livermore Nationaal Laboratorium
-Lawrence Berkeley Nationaal Laboratorium
Waarom samenwerken? Voor individuele bedrijven zijn de kosten onbetaalbaar. De inzet is te hoog. Maar de beloning is er.
Het belangrijkste voordeel van deelname aan een alliantie is prioriteit. Leden hebben als eerste toegang tot nieuwe technologie. Als je niet meedoet, zit je vast aan het oude DUV-proces. Uiteindelijk zul je achterop raken.
De race om 10 GHz-processors is begonnen. En het begint allemaal met licht.
De kern van extreme ultraviolette lithografie (EUVL) begint met het richten van een xenongasstroom met een laser. De laser verwarmt het gas totdat het een plasma wordt. De elektronen worden verwijderd en het plasma zendt 13 nm licht uit. Deze golflengte is te kort om door het menselijk oog waar te nemen.
Het licht komt de condensor binnen. De condensor verzamelt licht en stuurt dit naar het masker. Het masker is niet van glas. Het is een spiegel. Absorbers worden op bepaalde delen van de spiegel aangebracht om licht te blokkeren. De andere spiegel reflecteert het. Hierdoor ontstaat er een patroon op één laag van de computerchip.
Fysische principes van miniaturisatie
Het patroon wordt gereflecteerd door 4–6 meerlaagse spiegels. Deze spiegels verkleinen het beeld en focusseren het op de siliciumwafel. Elke spiegel buigt het licht een beetje. Het werkt als een cameralens, maar dan met een spiegel in plaats van glas.
Golflengte is alles. Hoe korter de golflengte, hoe beter het beeld. Overweeg om foto’s te maken. De beeldkwaliteit is van veel factoren afhankelijk. De eerste is de golflengte van licht. Hoe korter hoe beter. Dit is een natuurwet.
Vóór EUVL waren de zaken eenvoudiger. In 2001 gebruikte diepe UV-lithografie 248 nanometer licht. In mei 2001 begonnen sommige fabrikanten over te schakelen op 193 nm-licht. EUVL gebruikt 13 nm licht. Hoe korter de golflengte, hoe duidelijker het patroon op de wafer. Hoe scherper het patroon, hoe sneller de microprocessor.
Vacuümspiegelcoating
Dit proces vindt plaats in een vacuüm. Lucht absorbeert deze korte golflengten. Er is geen ruimte voor omgevingsgas.
De spiegel is bedekt met molybdeen en silicium. Deze coating reflecteert bijna 70% van het 13,4 nm EUV-licht. De resterende 30% wordt geabsorbeerd. Zonder deze coating zou het licht verdwijnen voordat het de wafer zou bereiken.
“Als je ergens een foto van maakt, wordt de kwaliteit van de foto door veel factoren bepaald… en de eerste factor is de golflengte van het licht waarmee je de foto hebt gemaakt.” – Sweeney
De spiegel zou bijna perfect moeten zijn. Kleine defecten in de coating kunnen de optische geometrie in gevaar brengen. Variaties in printpatronen. De chip werkt niet goed.
[Gerelateerde artikelen: Hoe halfgeleiders werken, Hoe microprocessors werken, CPU-quiz, Hoe computers werken, Hoe camera’s werken, Hoe lasers werken, Hoe lithografie werkt, Kunnen computerchips worden voorzien van airconditioning?]
[Andere links: EUVL: De toekomst voorstellen, de wet van Moore “meer houden”, Extreme Ultraviolet (EUV) lithografie, Intel: hoe chips worden gemaakt, “Scientific American”: meer halen uit de wet van Moore]
