Кремний на протяжении почти 50 лет двигал глобальный технологический бум. Теперь мы выжали из него все возможное. Технология производства микропроцессоров, на которую мы полагаемся, достигает серьезных ограничений. К 2005 году текущие методы перестанут быть эффективными. Производители чипов не имеют выбора, кроме как найти новые способы размещения большего количества транзисторов на поверхности кремния.
Тип Экстремально-ультрафиолетовая литография (EUVL). Ожидается, что эта технология сохранит важность кремния до конца этого века.
Текущий отраслевой стандарт — Глубокая ультрафиолетовая литография. Она работает подобно фотографии. Свет фокусируется через линзы, и на кремниевой пластине выгравировывается схема. Производители обеспокоены тем, что это не будет продолжаться. Вмешивается физика.
Использование экстремально-ультрафиолетового (EUV) света для гравировки транзисторов меняет все. Получившийся микропроцессор может быть в 100 раз быстрее лучших современных чипов. Память также совершает скачок вперед. В этой статье описывается текущая литографическая технология и то, как EUVL заменит ее, начиная примерно с 2007 года.
Создание чипов
Чтобы понять революцию, необходимо понять текущее положение дел. Микропроцессоры или компьютерные чипы изготавливаются с использованием фотолитографии. В частности, теперь мы можем создавать чипы внутри компьютеров, используя глубокую ультрафиолетовую литографию.
Литография — это, по сути, физическая фотография. Камеры используют свет для записи изображений на пленку. При производстве чипов свет используется для переноса изображений на подложку. В данном случае подложкой является кремний.
Процесс начинается с маски. Представьте себе шаблон для схемных решений. Свет проходит через эту маску. Затем он проходит через ряд оптических линз. Эти линзы уменьшают изображение. Маленькое изображение проецируется на кремниевую или полупроводниковую пластину.
Пластинка покрывается жидким пластиком, называемым фоторезистом. Чувствительным к свету. Маска размещается на пластинке. Когда свет попадает на кремний, он затвердевает фоторезист в экспонированных областях. Неэкспонированный фоторезист остается вязким. Химические вещества смывают лишнее. Все, что остается, — это отвержденный фоторезист и обнаженный кремний.
Секрет мощности заключается в размере длины волны. Чем короче длина волны, тем меньше свойство. На пластину можно разместить больше транзисторов. Больше транзисторов означает более быстрые и эффективные микропроцессоры.
Давайте сравним Intel Pentium 4 и Pentium 3. Pentium 4 содержит 42 миллиона транзисторов. Емкость Pentium 3 составляет всего 28 миллионов. Чем выше плотность, тем выше скорость.
С 2001 года глубокая ультрафиолетовая литография использует длину волны 240 нанометров. Нанометр — это миллиардная часть метра. Текущая технология даст сбой, когда производители перейдут к длинам волн 100 нм.
Почему? Стеклянные линзы поглощают более короткие длины волн. Свет никогда не достигает кремния. Схема не создается. Диск остается пустым.
Здесь вступает в игру EUVL. Стеклянные линзы были заменены зеркалами. Зеркала отражают свет, не поглощая его. Это обеспечивает правильный перенос рисунка.
Чипы следующего поколения как минимум в пять раз эффективнее чипов, изготовленных в 2001 году. Но за этим изменением стоит еще одна движущая сила.
Закон Мура
Гордон Мур выдвинул свою идею. Более 35 лет назад он предсказал, что плотность транзисторов в микропроцессоре будет удваиваться каждые 18 месяцев. Мы называем это законом Мура. Так было на протяжении десятилетий. Компьютеры становились всё быстрее и быстрее. Меньше. Мощнее.
Но к 2001 году отрасль столкнулась с трудностями.
Эксперты полагают, что глубокая ультрафиолетовая (DUV) литография достигла своих физических пределов примерно в 2004–2005 годах. Без новых технологий закон будет нарушен. Рассказ закончится. Эта отрасль нуждается в чуде.
Этим чудом является EUV-литогрфия.
Если технология глубокого ультрафиолета окажется неудачной, производители чипов перейдут к технологии экстремального ультрафиолета. Ожидается, что этот переход продлит действие закона Мура ещё на 10 лет. Цель? В 2007 году выпустить микропроцессор с тактовой частотой 10 ГГц.
Давайте рассмотрим базовое состояние. В мае 2001 года самый быстрый процессор Pentium 4 от Intel работал на частоте 2,4 ГГц. 10 гигагерц — это огромный скачок. Речь идёт не только о скорости. Это вопрос выживания в мире, который становится всё меньше.
«EUV-литогрфия позволяет нам создавать чипы с размерами элементов, достаточными для поддержки тактовых частот 10 ГГц. Однако это не всегда возможно».
— Дон Свини, директор программы EUV-литогрфии, Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора
Узким местом является масштаб. Глубокий ультрафиолетовый свет может формировать схемы размером до 100 нанометров. Это потолок. EUV может уменьшать размеры ещё больше.
«Нам нужно создавать интегральные схемы размером до 30 нанометров», — сказал Свини. «С помощью EUV-литогрфии это вполне возможно».
Меньший размер означает больше транзисторов на чипе. Чем больше транзисторов, тем выше тактовая частота. Математика проста. Но в технологиях всё не так просто.
Борьба за доступ к EUVL
Те, кто контролирует технологию, контролируют будущее.
В апреле 2001 года консорциум EUV LLC запустил первый прототип полнофункциональной машины для EUV-литогрфии. Это сложная задача.
EUV LLC — это больше, чем просто компания. Это лига гигантов.
- Intel
- AMD
- IBM
- Micron
- Infineon
- Motorola
Конкуренты сотрудничали с тремя исследовательскими центрами Министерства энергетики США (DOE). Эта группа в целом известна как Виртуальные национальные лаборатории. В неё входят:
— Национальная лаборатория Сандия
— Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора
— Национальная лаборатория Лоуренса Беркли
Зачем сотрудничать? Затраты для отдельных компаний непомерно высоки. Ставки слишком велики. Но и награда есть.
Главное преимущество участия в альянсе — приоритет. Участники получают первый доступ к новым технологиям. Если вы не участвуете, вы остаётесь с устаревшим процессом DUV. В конечном итоге вы отстанете.
Гонка за процессорами 10 ГГц началась. И всё начинается со света.
Основа литографии в экстремальном ультрафиолете (EUVL) начинается с облучения лазером потока газа ксенона. Лазер нагревает газ до состояния плазмы. Электроны удаляются, и плазма излучает свет с длиной волны 13 нм. Эта длина волны слишком коротка для восприятия человеческим глазом.
Свет попадает в конденсор. Конденсор собирает свет и направляет его на маску. Маска сделана не из стекла, а представляет собой зеркало. На определенные участки зеркала нанесены поглотители, блокирующие свет. Остальная часть зеркала отражает свет. Так формируется рисунок на одном слое компьютерного чипа.
Физические принципы миниатюризации
Рисунок отражается от 4–6 многослойных зеркал. Эти зеркала уменьшают размер изображения и фокусируют его на кремниевой пластине. Каждое зеркало немного преломляет свет. Принцип работы похож на объектив камеры, но вместо стекла используется зеркало.
Длина волны имеет решающее значение. Чем короче длина волны, тем лучше качество изображения. Рассмотрим пример со статичными фотографиями. Качество изображения зависит от многих факторов. Первый из них — длина волны света. Чем она короче, тем лучше. Это естественный закон.
До появления EUVL все было проще. В 2001 году для глубокой ультрафиолетовой литографии использовался свет с длиной волны 248 нм. К маю 2001 года некоторые производители начали переходить на свет с длиной волны 193 нм. EUVL использует свет с длиной волны 13 нм. Чем короче длина волны, тем четче рисунок на пластине. Чем четче рисунок, тем быстрее работает микропроцессор.
Покрытие зеркал в вакууме
Этот процесс происходит в вакууме. Воздух поглощает эти короткие длины волн. В присутствии окружающего газа процесс невозможен.
Зеркало покрывается молибденом и кремнием. Такое покрытие отражает почти 70% EUV-света с длиной волны 13,4 нм. Оставшиеся 30% поглощаются. Без этого покрытия свет исчез бы, не достигнув пластины.
«Когда вы делаете фотографию чего-либо, качество снимка определяется множеством факторов… и первым фактором является длина волны света, который вы использовали для съемки». — Свини
Зеркало должно быть практически идеальным. Небольшие дефекты покрытия могут нарушить оптическую геометрию. Это приводит к искажениям в рисунке печатных плат. Чип перестает работать корректно.
[Связанные статьи: Как работают полупроводники, Как работают микропроцессоры, Тест на знание CPU, Как работают компьютеры, Как работают камеры, Как работают лазеры, Как работает литография, Можно ли кондиционировать компьютерные чипы?]
[Другие ссылки: EUVL: Воображая будущее, Сохранение закона Мура «более» актуальным, Экстремальная ультрафиолетовая (EUV) литография, Intel: Как изготавливаются чипы, «Scientific American»: Получение большего от закона Мура]
