Krzem napędza światowy boom technologiczny od prawie 50 lat. Teraz wyciągnęliśmy z niego to, co najlepsze. Technologia mikroprocesorowa, na której polegamy, osiąga poważne granice. Do roku 2005 obecne metody przestaną być skuteczne. Producenci chipów nie mają innego wyjścia, jak tylko znaleźć nowe sposoby umieszczenia większej liczby tranzystorów na powierzchni krzemu.
Typ Litografia w ekstremalnym ultrafiolecie (EUVL). Oczekuje się, że dzięki tej technologii krzem będzie odgrywał ważną rolę do końca tego stulecia.
Obecnym standardem branżowym jest Litografia w głębokim ultrafiolecie. To działa jak fotografia. Światło jest skupiane przez soczewki, a obwód jest wyryty na płytce krzemowej. Producenci obawiają się, że sytuacja ta nie będzie się powtarzać. Fizyka interweniuje.
Użycie ekstremalnego ultrafioletu (EUV) do grawerowania tranzystorów zmienia wszystko. Powstały mikroprocesor może być 100 razy szybszy niż najlepsze dzisiejsze chipy. Pamięć również robi krok do przodu. W tym artykule opisano obecną technologię litografii oraz sposób, w jaki EUVL zastąpi ją około 2007 roku.
Tworzenie żetonów
Aby zrozumieć rewolucję, trzeba zrozumieć obecny stan rzeczy. Mikroprocesory lub chipy komputerowe są wytwarzane przy użyciu fotolitografii. W szczególności możemy teraz tworzyć chipy wewnątrz komputerów przy użyciu litografii w głębokim ultrafiolecie.
Litografia to zasadniczo fotografia fizyczna. Aparaty wykorzystują światło do rejestrowania obrazów na kliszy. W produkcji chipów światło służy do przenoszenia obrazów na podłoże. W tym przypadku podłożem jest krzem.
Proces rozpoczyna się od maski. Wyobraź sobie szablon rozwiązań obwodów. Światło przechodzi przez tę maskę. Następnie przechodzi przez szereg soczewek optycznych. Soczewki te zmniejszają obraz. Mały obraz jest wyświetlany na płytce krzemowej lub półprzewodnikowej.
Płytka pokryta jest płynnym tworzywem sztucznym zwanym fotorezystem. Wrażliwy na światło. Maskę umieszcza się na talerzu. Kiedy światło uderza w krzem, utwardza fotomaskę w odsłoniętych obszarach. Nienaświetlony fotorezyst pozostaje lepki. Chemikalia zmywają nadmiar. Pozostaje tylko utwardzony fotorezyst i odsłonięty krzem.
Sekret mocy tkwi w wielkości fali. Im krótsza długość fali, tym słabsza właściwość. Na płytce można umieścić więcej tranzystorów. Więcej tranzystorów oznacza szybsze i wydajniejsze mikroprocesory.
Porównajmy Intel Pentium 4 i Pentium 3. Pentium 4 zawiera 42 miliony tranzystorów. Pentium 3 ma pojemność zaledwie 28 milionów. Im większa gęstość, tym większa prędkość.
Od 2001 roku w litografii w głębokim ultrafiolecie wykorzystuje się długość fali 240 nanometrów. Nanometr to miliardowa część metra. Obecna technologia zawiedzie, gdy producenci przejdą na fale o długości 100 nm.
Dlaczego? Soczewki szklane pochłaniają krótsze fale. Światło nigdy nie dociera do krzemu. Schemat nie jest tworzony. Dysk pozostaje pusty.
Tutaj wkracza EUVL. Szklane soczewki zostały zastąpione lustrami. Lustra odbijają światło, nie pochłaniając go. Dzięki temu wzór zostanie przeniesiony prawidłowo.
Chipy nowej generacji są co najmniej pięciokrotnie wydajniejsze niż chipy wyprodukowane w 2001 roku. Za tą zmianą kryje się jednak jeszcze jedna siła napędowa.
Prawo Moore’a
Gordon Moore wpadł na swój pomysł. Ponad 35 lat temu przewidział, że gęstość tranzystorów w mikroprocesorze będzie się podwajać co 18 miesięcy. Nazywamy to prawem Moore’a. Dzieje się tak od dziesięcioleci. Komputery stawały się coraz szybsze. Mniej. Mocniejszy.
Jednak do 2001 roku branża borykała się z trudnościami.
Eksperci uważają, że litografia w głębokim ultrafiolecie (DUV) osiągnęła swoje fizyczne granice około 2004–2005. Bez nowych technologii prawo zostanie złamane. Historia się zakończy. Ta branża potrzebuje cudu.
Tym cudem jest litografia EUV.
Jeśli technologia głębokiego ultrafioletu zawiedzie, producenci chipów przejdą na technologię ekstremalnego ultrafioletu. Oczekuje się, że to przejście przedłuży prawo Moore’a na kolejne 10 lat. Cel? W 2007 roku wypuszczono mikroprocesor o częstotliwości taktowania 10 GHz.
Spójrzmy na linię bazową. W maju 2001 r. najszybszy procesor Intel Pentium 4 pracował z częstotliwością 2,4 GHz. 10 gigaherców to ogromny skok. Nie chodzi tylko o prędkość. To kwestia przetrwania w świecie, który staje się coraz mniejszy.
„Litografia EUV pozwala nam tworzyć chipy o rozmiarach wystarczająco dużych, aby obsługiwać taktowanie 10 GHz. Jednak nie zawsze jest to możliwe”.
— Don Sweeney, dyrektor programu litografii EUV, Laboratorium Krajowe Lawrence Livermore
Wąskim gardłem jest skala. Głębokie światło ultrafioletowe może tworzyć wzory o wielkości zaledwie 100 nanometrów. To jest sufit. EUV może jeszcze bardziej zmniejszyć wymiary.
„Musimy wytwarzać układy scalone o grubości do 30 nanometrów” – powiedział Sweeney. „Dzięki litografii EUV jest to całkowicie możliwe”.
Mniejszy rozmiar oznacza więcej tranzystorów w chipie. Im więcej tranzystorów, tym wyższa częstotliwość taktowania. Matematyka jest prosta. Ale w technologii wszystko nie jest takie proste.
Walcz o dostęp do EUVL
Ci, którzy kontrolują technologię, kontrolują przyszłość.
W kwietniu 2001 roku konsorcjum EUV LLC uruchomiło pierwszy prototyp w pełni funkcjonalnej maszyny litograficznej EUV. To trudne zadanie.
EUV LLC to coś więcej niż tylko firma. To liga gigantów.
- Intela
-AMD
-IBM - Mikron
- Infineon
- Motoroli
Konkurenci współpracowali z trzema ośrodkami badawczymi Departamentu Energii USA (DOE). Grupa ta znana jest pod wspólną nazwą Wirtualnych Laboratoriów Krajowych. Obejmuje:
– Krajowe Laboratorium Sandia
– Krajowe Laboratorium Lawrence’a Livermore’a
– Laboratorium Krajowe Lawrence’a Berkeley’a
Dlaczego warto współpracować? Koszty dla poszczególnych firm są zaporowe. Stawka jest zbyt wysoka. Ale jest też nagroda.
Główną zaletą uczestnictwa w sojuszu jest priorytet. Uczestnicy uzyskują pierwszy dostęp do nowych technologii. Jeżeli nie weźmiesz udziału, pozostanie Ci przestarzały proces DUV. W końcu zostaniesz w tyle.
Rozpoczął się wyścig o procesory 10 GHz. A wszystko zaczyna się od światła.
Podstawa litografii ekstremalnego ultrafioletu (EUVL) zaczyna się od napromieniowania laserowego strumienia gazu ksenonowego. Laser podgrzewa gaz do stanu plazmy. Elektrony są usuwane, a plazma emituje światło o długości fali 13 nm. Ta długość fali jest zbyt krótka, aby mogła zostać dostrzeżona przez ludzkie oko.
Światło wchodzi do kondensatora. Kondensator zbiera światło i kieruje je do maski. Maska nie jest wykonana ze szkła, ale jest lustrem. Niektóre obszary lustra są pokryte pochłaniaczami, które blokują światło. Pozostała część lustra odbija światło. W ten sposób na jednej warstwie chipa komputerowego powstaje wzór.
Fizyczne zasady miniaturyzacji
Wzór odbija się od 4–6 wielowarstwowych luster. Lustra te zmniejszają rozmiar obrazu i skupiają go na płytce krzemowej. Każde lustro trochę załamuje światło. Zasada działania jest podobna do obiektywu aparatu, tyle że zamiast szkła zastosowano lustro.
Długość fali jest krytyczna. Im krótsza długość fali, tym lepsza jakość obrazu. Spójrzmy na przykład ze zdjęciami statycznymi. Jakość obrazu zależy od wielu czynników. Pierwszą z nich jest długość fali światła. Im krótszy, tym lepiej. To jest prawo naturalne.
Przed EUVL wszystko było prostsze. W 2001 roku do litografii w głębokim ultrafiolecie zastosowano światło o długości fali 248 nm. W maju 2001 r. niektórzy producenci zaczęli przechodzić na światło o długości fali 193 nm. EUVL wykorzystuje światło o długości fali 13 nm. Im krótsza długość fali, tym wyraźniejszy wzór na płycie. Im wyraźniejszy wzór, tym szybciej działa mikroprocesor.
Powlekanie lusterek w próżni
Proces ten zachodzi w próżni. Powietrze pochłania te krótkie fale. W obecności otaczającego gazu proces ten jest niemożliwy.
Lustro pokryte jest molibdenem i krzemem. Powłoka ta odbija prawie 70% światła EUV o długości fali 13,4 nm. Pozostałe 30% zostaje wchłonięte. Bez tej powłoki światło znikałoby przed dotarciem do płyty.
„Kiedy robisz zdjęcie, jakość zdjęcia zależy od wielu czynników… a pierwszym czynnikiem jest długość fali światła użytego do zrobienia zdjęcia.” — Sweeney
Lustro powinno być prawie idealne. Małe defekty powłoki mogą zakłócić geometrię optyczną. Prowadzi to do zniekształceń w konstrukcji płytki drukowanej. Chip przestaje działać poprawnie.
[Powiązane artykuły: Jak działają półprzewodniki, Jak działają mikroprocesory, Test wiedzy o procesorach, Jak działają komputery, Jak działają aparaty fotograficzne, Jak działają lasery, Jak działa litografia, Czy chipy komputerowe można kondycjonować?]
[Inne linki: EUVL: Wyobrażanie sobie przyszłości, „Bardziej” adekwatność prawa Moore’a, Litografia w ekstremalnym ultrafiolecie (EUV), Intel: Jak powstają chipy, Scientific American: Więcej korzyści z prawa Moore’a]
