O silício impulsionou o boom tecnológico global durante quase 50 anos. Agora esprememos cada gota de sua utilidade. A tecnologia de fabricação de microprocessadores em que confiamos está atingindo sérios limites. Até 2005, os métodos actuais deixarão de ser eficazes. Os fabricantes de chips não têm escolha a não ser encontrar novas maneiras de colocar mais transistores no silício.
Tipo Litografia Ultravioleta Extrema (EUVL). Espera-se que esta tecnologia mantenha a importância do silício até o final deste século.
O padrão atual da indústria é Litografia UV Profunda. Funciona exatamente como uma foto. A luz é focada através da lente e um padrão de circuito é gravado na pastilha de silício. Os fabricantes estão preocupados que isso não continue. A física intervém.
Usar luz ultravioleta extrema (EUV) para gravar transistores muda tudo. O microprocessador resultante poderia ser 100 vezes mais rápido que os melhores chips atuais. A gravação na memória dá o mesmo salto adiante. Este artigo descreve a tecnologia litográfica atual e como o EUVL a substituirá a partir de 2007.
Faça fichas
Para compreender a revolução, é necessário compreender a situação atual. Microprocessadores ou chips de computador são feitos usando fotolitografia. Em particular, agora podemos criar chips dentro de computadores usando litografia UV profunda.
Litografia é basicamente fotografia física. As câmeras usam luz para registrar imagens em filme. Na fabricação de chips, a luz é utilizada para transferir imagens para o substrato. Neste caso, o substrato é o silício.
O processo começa com uma máscara. Pense nisso como um modelo para projetos de circuitos. A luz brilha através desta máscara. Em seguida, ele passa por uma série de lentes ópticas. Essas lentes reduzem a imagem. Uma pequena imagem é projetada em uma placa de silício ou semicondutora.
O disco é revestido com um plástico líquido chamado fotorresistente. Sensível à luz. A máscara é colocada no disco. Quando a luz atinge o silício, ela endurece o fotorresiste nas áreas expostas. O fotorresiste não exposto permanece viscoso. Os produtos químicos removem a sujeira. Tudo o que resta é o fotorresiste curado e o silício exposto.
O segredo do poder é o tamanho do comprimento de onda. Quanto menor o comprimento de onda, menor será a propriedade. Mais transistores podem ser alimentados ao wafer. Mais transistores significam microprocessadores mais rápidos e eficientes.
Vamos comparar o Intel Pentium 4 e o Pentium 3. O Pentium 4 contém 42 milhões de transistores. A capacidade do Pentium 3 é de apenas 28 milhões. Quanto maior a densidade, maior a velocidade.
Desde 2001, a litografia UV profunda usa um comprimento de onda de 240 nanômetros. Um nanômetro é um bilionésimo de metro. A tecnologia atual irá falhar à medida que os fabricantes avançam para comprimentos de onda de 100 nm.
Por que? As lentes de vidro absorvem comprimentos de onda mais curtos. A luz nunca atinge o silício. O padrão de circuito não foi criado. O disco permanece vazio.
É aqui que o EUVL entra em jogo. As lentes de vidro foram substituídas por espelhos. Os espelhos refletem a luz sem absorvê-la. Isso garante que o padrão seja transferido corretamente.
Os chips da próxima geração são pelo menos cinco vezes mais eficientes do que os chips fabricados em 2001. Mas há outra força motriz por detrás desta mudança.
Lei de Moore
Gordon Moore teve uma visão. Há mais de 35 anos, ele previu que a densidade do transistor de um microprocessador dobraria a cada 18 meses. Nós a chamamos de Lei de Moore. Este tem sido o caso há décadas. Os computadores estão ficando cada vez mais rápidos. menos. Mais forte.
Mas em 2001, a indústria estava em dificuldades.
Os especialistas acreditam que a litografia ultravioleta profunda (DUV) atingiu seus limites físicos por volta de 2004-2005. Sem novos processos, a lei será violada. A narração pára. Esta indústria precisa de um milagre.
Esse milagre é a litografia EUV.
Se a tecnologia UV profunda falhar, os fabricantes de chips migrarão para a tecnologia UV extrema. Espera-se que esta mudança estenda a Lei de Moore por mais 10 anos. alvo? 2007 Introduziu o microprocessador de 10 GHz.
Vamos pensar no estado básico. Em maio de 2001, o processador Pentium 4 mais rápido da Intel operava a uma frequência de 2,4 GHz. 10 gigahertz é um grande salto. Não se trata apenas de velocidade. É sobre sobrevivência em um mundo cada vez menor.
“A litografia EUV nos permite criar chips com tamanhos pequenos o suficiente para suportar velocidades de clock de 10 GHz. No entanto, isso nem sempre é possível.”
– Don Sweeney, Diretor do Programa de Litografia EUV, Laboratório Nacional Lawrence Livermore
O gargalo é a escala. A luz ultravioleta profunda pode moldar circuitos de até 100 nanômetros de tamanho. É o teto. O EUV pode diminuir ainda mais.
“Precisamos fazer circuitos integrados de até 30 nanômetros”, disse Sweeney. “Com a litografia EUV, isso é claramente possível.”
Menos funcionalidade significa mais transistores por chip. Quanto mais transistores, maior será a velocidade do clock. O cálculo é fácil. Não é assim em tecnologia.
Batalha pelo acesso EUVL
Aqueles que controlam a tecnologia controlam o futuro.
Em abril de 2001, um consórcio chamado EUV LLC lançou o primeiro protótipo de uma máquina de litografia EUV em escala real. Esta é uma tarefa difícil.
EUV LLC é mais do que apenas uma empresa. Esta é uma liga de gigantes.
-Intel
-AMD
-IBM
– Mícron
-Infineon
-Motorola
Os concorrentes colaboraram com três centros de pesquisa do DOE. Este grupo é conhecido coletivamente como Laboratórios Nacionais Virtuais. Isso inclui:
-Laboratórios Nacionais Sandia
– Laboratório Nacional Lawrence Livermore
– Laboratório Nacional Lawrence Berkeley
Por que cooperar? Os custos são proibitivos para empresas individuais. As apostas são muito altas. Mas a recompensa está aí.
O principal benefício de ingressar em uma aliança é a prioridade. Os membros têm primeiro acesso a novas tecnologias. Se você não participar, ficará preso ao antigo processo DUV. Eventualmente você ficará para trás.
A corrida pelos processadores de 10 GHz começou. E tudo começa com a luz.
O núcleo da litografia ultravioleta extrema (EUVL) começa visando um fluxo de gás xenônio com um laser. O laser aquece o gás até que se transforme em plasma. Os elétrons são removidos e o plasma emite 13 nm de luz. Este comprimento de onda é muito curto para ser detectado pelo olho humano.
A luz entra no condensador. O condensador coleta luz e a direciona para a máscara. A máscara não é de vidro. É um espelho. Absorventes são aplicados em certas partes do espelho para bloquear a luz. O outro espelho reflete isso. Isso cria um padrão em uma camada do chip do computador.
Princípios físicos da miniaturização
O padrão é refletido em 4–6 espelhos multicamadas. Esses espelhos reduzem o tamanho da imagem e focam-na na pastilha de silício. Cada espelho curva ligeiramente a luz. Funciona como uma lente de câmera, mas com espelho em vez de vidro.
Comprimento de onda é tudo. Quanto menor o comprimento de onda, melhor será a imagem. Considere tirar fotos estáticas. A qualidade da imagem depende de muitos fatores. O primeiro é o comprimento de onda da luz. Quanto mais curto, melhor. Esta é uma lei natural.
Antes da EUVL, as coisas eram mais simples. Em 2001, a litografia UV profunda utilizou 248 nanômetros de luz. Em maio de 2001, alguns fabricantes começaram a mudar para a luz de 193 nm. EUVL usa 13 nm de luz. Quanto menor o comprimento de onda, mais claro será o padrão no wafer. Quanto mais nítido for o padrão, mais rápido será o microprocessador.
Revestimento de espelho a vácuo
Este processo ocorre no vácuo. O ar absorve esses comprimentos de onda curtos. Não há espaço para gás ambiente.
O espelho é revestido com molibdênio e silício. Este revestimento reflete quase 70% da luz EUV de 13,4 nm. Os 30% restantes são absorvidos. Sem este revestimento, a luz desapareceria antes de atingir o wafer.
“Quando você tira uma foto de algo, a qualidade da foto é determinada por muitos fatores… e o primeiro fator é o comprimento de onda da luz que você usou para tirar a foto.” -Sweeney
O espelho deve estar quase perfeito. Pequenos defeitos no revestimento podem comprometer a geometria óptica. Variações nos padrões de circuito impresso. O chip não está funcionando corretamente.
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[Outros links: EUVL: Imaginando o Futuro, Mantendo a Lei de Moore “Mais”, Litografia Ultravioleta Extrema (EUV), Intel: Como os Chips São Feitos, “Scientific American”: Obtendo Mais da Lei de Moore]
