Hier ist ein Keim für Sie - ein 30-Kilowatt-Laser im Vakuum schießt auf einen Tropfen Zinn und verwandelt ihn in Plasma - sagen wir fantastisch?
Und wir werden herausfinden, wie es funktioniert, und Ihnen von einem Unternehmen aus Europa erzählen, das als Schatten hinter allen Giganten wie Apple, AMD, Intel, Qualcomm, Samsung und anderen steht. Ohne dieses Unternehmen gäbe es keine neuen Prozessoren. Und nein, leider ist dies nicht die Cheboksary Electronics Plant.
Um den Prozess der extremen Ultraviolettlithographie zu verstehen, müssen wir zunächst verstehen, was Photolithographie ist. Der Prozess selbst ist dem Drucken von Fotos von Filmnegativen auf Fotopapier sehr ähnlich! Glauben Sie mir nicht - jetzt werden wir alles erklären.
Fotolithografie
Beginnen wir mit einem einfachen Beispiel: Nehmen Sie ein transparentes Glas und wenden Sie ein geometrisches Muster darauf an, während einige Bereiche ohne Farbe bleiben. Grundsätzlich werden wir eine Schablone machen. Befestigen Sie dieses Stück Glas an der Taschenlampe und schalten Sie es ein. Wir erhalten genau das gleiche Schattenmuster, das wir auf das Stück Glas aufgetragen haben. Bei der Prozessorherstellung wird dieses gemusterte Glasstück als Maske bezeichnet. Mit der Maske können Sie auf der Oberfläche jedes Materials "über- und unterbelichtete" Bereiche mit beliebiger flacher Form erhalten.
Ok - wir haben eine Zeichnung auf der Oberfläche, aber es ist nur ein Schatten. Jetzt müssen wir es irgendwie dort speichern. Zu diesem Zweck wird eine spezielle lichtempfindliche Schicht auf die Oberfläche des Siliziumwafers aufgebracht, die als Fotolack bezeichnet wird. Der Einfachheit halber werden wir hier nicht über positive und negative Fotolacke sprechen, warum sie so reagieren, schließlich befinden wir uns nicht in einer Lektion in physikalischer Chemie. Sagen wir einfach, dass dies eine Substanz ist, die ihre Eigenschaften ändert, wenn Licht mit einer bestimmten Frequenz, dh mit einer bestimmten Wellenlänge, auf sie trifft. Wie bei Fotofilmen oder Fotopapier reagieren auch hier spezielle Materialschichten auf Licht!
Nachdem wir die Bereiche, die wir benötigen, auf Silizium beleuchtet haben, können wir sie entfernen, während der Rest, dh nicht beleuchtete Bereiche, an Ort und Stelle bleibt. Als Ergebnis haben wir die Zeichnung bekommen, die wir wollten. Das ist Fotolithografie!
Natürlich sind neben der Fotolithografie auch andere Verfahren an der Herstellung von Prozessoren beteiligt, wie z. B. Ätzen und Abscheiden. Durch die Kombination dieser Verfahren mit der Fotolithografie werden Transistoren sozusagen Schicht für Schicht auf Silizium gedruckt.
Die Technologie ist nicht neu, fast alle Prozessoren seit den 1960er Jahren werden mit Fotolithografie hergestellt. Diese Technologie eröffnete die Welt der Feldeffekttransistoren und den Weg zur modernen Mikroelektronik.
Aber der wirklich große Sprung nach vorne in diesem Bereich ist erst vor kurzem passiert! Mit dem Übergang zu EUV. Und das alles wegen der Wellenlänge von 13,5 nm. Mach dir keine Sorgen, ich werde es jetzt erklären! Die Wellenlänge, bei der unsere "Taschenlampe" leuchtet, ist ein unglaublich wichtiger Parameter. Sie bestimmt, wie klein die Elemente auf dem Kristall sein können. Die Regel ist so einfach wie möglich: Weniger Wellenlänge bedeutet mehr Auflösung und weniger Prozesstechnologie! Achten Sie auf das Bild. Absolut alle Prozessoren von Anfang der 90er bis 2019 wurden im Deep-UV-Lithographie-Verfahren oder DUV-Lithographie hergestellt. Das war es vor Extreme.
Es basierte auf der Verwendung eines Argonfluoridlasers, der Licht mit einer Wellenlänge von 193 Nanometern emittiert. Dieses Licht liegt im Bereich der tiefen ultravioletten Strahlung - daher der Name.
Es geht durch das Linsensystem, die Maske und auf unseren mit Fotolack beschichteten Kristall und erzeugt das gewünschte Muster. Diese Technologie hatte aber auch ihre Grenzen, die an die Grundgesetze der Physik gebunden waren. Was ist der minimal mögliche technische Prozess? Wir schauen uns die Formel an (seien Sie einfach nicht beunruhigt):
Hier ist Lambda unsere Wellenlänge und CD ist die kritische Dimension, dh die minimale Größe der resultierenden Struktur. Das heißt, unter Verwendung der "alten" DUV-Lithographie können Strukturen von mindestens etwa 50 nm erhalten werden. Aber wie kannst du das fragen? Immerhin haben die Hersteller sowohl 14 als auch 10 nm und einige sogar 7 nm mit DUV-Lithographie perfekt gemacht.
Sie gingen für Tricks. Anstelle eines einzigen Blendens durch eine einzelne Maske verwendeten sie mehrere Masken mit unterschiedlichen Mustern, die sich gegenseitig ergänzen. Dieser Vorgang wird als Mehrfachbelichtung bezeichnet . Nennen wir das das Puff Pie-Prinzip! Ja - die Hersteller haben direkte physikalische Einschränkungen umgangen, aber die Physik hat nicht getäuscht!
Es ist ein ernstes Problem aufgetreten: Diese zusätzlichen Schritte haben die Herstellung jedes Chips viel teurer gemacht, da dadurch die Anzahl der Ausschussmengen zunimmt und es andere Probleme gibt.
Das heißt, theoretisch können Sie weiterhin mit der alten Technologie arbeiten und durch Spielen mit Masken und Belichtung (Doppel-, Dreifach-, Vierfachbelichtung) die Größe weiter reduzieren, aber dies macht den Prozess Gold wert. Tatsächlich wächst mit jeder Schicht der Prozentsatz der Ausschuss immer höher und der Fehler akkumuliert!
Das heißt, wir können sagen, dass DUV eine Sackgasse ist! Was tun als nächstes, wie reduzieren?
Und hier kommt die großartige und schreckliche Technologie der extremen UV-Lithographie oder EUV-Lithographie zum Einsatz!
Schauen Sie sich das Foto an - es zeigt perfekt den Unterschied zwischen den beiden Technologien. Beide wurden unter Verwendung einer 7-Nanometer-Prozesstechnologie erhalten, aber die linke wurde unter Verwendung von DUV-Lithographie und mit genau den Tricks erhalten, über die wir gesprochen haben - Dreifachbelichtung, dh mit der schrittweisen Verwendung von 3 verschiedenen Masken. Rechts ist die EUV-Lithografietechnologie bei 13,5 Nanometern mit einer einzigen Maske zu sehen - der Unterschied ist offensichtlich - die Grenzen sind viel klarer, die Kontrolle über die Geometrie ist besser und der Prozess selbst ist viel schneller, der Prozentsatz der Ausschussprodukte ist geringer, dh am Ende ist er billiger. Hier ist es der Weg in eine glänzende Zukunft, warum nicht gleich, was ist das Problem?
Wie die EUV-Lithographie funktioniert
Die Sache ist, dass, obwohl EUV dieselbe Lithographie ist, im Detail alles viel komplizierter ist und hier Wissenschaftler und Ingenieure vor neuen Problemen standen!
Die Technologie der extremen UV-Lithographie selbst wurde bereits Anfang der 2000er Jahre entwickelt. Es wird eine Quelle verwendet, die Licht mit einer Wellenlänge von 13,5 Nanometern emittiert - also am unteren Ende des UV-Spektrums nahe an Röntgenstrahlen!
Theoretisch kann diese Methode verwendet werden, um Strukturen mit bereits kritischen Größen zu erzeugen - so klein, dass ein wenig mehr und die Gesetze der gewöhnlichen Physik nicht mehr auf sie einwirken. Das heißt, nach 5 nm befinden wir uns in der Quantenwelt! Aber auch dieses Problem ist im Moment gelöst. Es gibt eine Quelle - nimm sie und mache dich zu willkürlich kleinen Prozessoren.
So einfach ist das gar nicht!
Das Problem bei diesen kurzen Wellenlängen ist, dass sie von fast allen Materialien absorbiert werden, so dass herkömmliche Linsen, die zuvor nicht mehr passten. Was zu tun ist?
Um dieses Licht zu steuern, wurde beschlossen, spezielle reflektierende Spiegelgläser zu entwickeln. Und diese Linsen müssen glatt sein! Sehr weich !!! Fast perfekt glatt!
Hier ist eine Analogie für Sie: Lassen Sie uns das Objektiv auf die Größe von beispielsweise Deutschland strecken, damit seine Oberfläche so glatt ist, dass nichts mehr als 1 Millimeter herausragt. Dieser Parameter wird als Linsenrauheit bezeichnet und sollte weniger als 0,5 Nanometer betragen. Dies ist schon fast so groß wie ein ATOM! Wer kann einen Floh beschuhen?
Natürlich, Zeiss - nur sie können es schaffen! Ja - dieselbe Zeiss-Firma, deren Objektive sich auf meiner Kamera befinden, war bei Nokia oder in den Flaggschiffen des Sony Xperia. Ein Problem gelöst - es gibt Objektive! Es gibt eine Sekunde - dieses Licht wird sogar in der Luft gestreut. Damit der Prozess normal abläuft, muss er daher im Vakuum durchgeführt werden! Im Allgemeinen schweige ich über Staub- und Schmutzpartikel - es ist klar, dass sie überhaupt nicht vorhanden sein sollten. Reinräume in einer solchen Produktion sind um Größenordnungen sauberer als Operationssäle in Krankenhäusern! Menschen gehen buchstäblich in Raumanzügen. Selbst kleinste Schmutz-, Haut- oder Luftpartikel können sowohl die Maske als auch die Spiegel zerstören!
Und was ist mit der Quelle? Setzen Sie einfach einen speziellen Laser auf eine kürzere Wellenlänge und das wars? Das Problem ist, dass weder Glühbirnen noch Laser oder andere normale Lichtquellen, die bei dieser Wellenlänge emittieren, in der Natur einfach nicht existieren.
Und wie bekommen Sie dann die erforderliche Strahlung? Elementary, Watson - wir brauchen Plasma.
Es ist notwendig, den Zinndampf auf Temperaturen zu erhitzen, die 100-mal höher sind als die Temperatur der Sonnenoberfläche! Gerade! Und dahinter stecken fast zwei Jahrzehnte Entwicklung.
In der Installation zur Herstellung von Prozessoren durch EUV-Lithographie, über die wir separat sprechen werden, ist ein spezieller Kohlendioxidlaser installiert, der wiederum zusammen mit nur zwei Unternehmen weltweit hergestellt werden kann - dem deutschen Unternehmen Trumpf und dem amerikanischen Cymer. Dieses 30-Kilowatt-Monster feuert 2 Impulse mit einer Frequenz von 50 Kilohertz ab.
Der Laser trifft auf die Zinntropfen, der erste Schuss flacht tatsächlich ab und verwandelt den Tropfen in einen Pfannkuchen, der ein leichtes Ziel für die zweite Salve wird, die ihn in Brand setzt. Und das passiert 50.000 Mal pro Sekunde! Und das resultierende Plasma emittiert dieses Licht im extremen UV-Spektrum. Und natürlich ist dies nur die Basis, aber wir haben versucht, Ihnen ein Bild davon zu zeichnen, wie schwierig und cool dieser Prozess ist.
Das Unternehmen hinter allen Prozessoren
Sie sprachen über die Technologie, es bedeutet, dass jemand sie erfunden und implementiert hat, aber ihre Entwicklung erwies sich als so teuer, dass selbst die großen Giganten und Bigwigs solche Budgets nicht ziehen können!
Damit dies Realität wurde, mussten sich letztendlich alle einschalten - Intel im Jahr 2012, und TSMC und Samsung nahmen irgendwo im Jahr 2015 an einem gemeinsamen Projekt teil. Die Gesamtinvestition betrug nach verschiedenen Schätzungen 14 bis 21 Milliarden Dollar! Davon wurden fast 10 Milliarden in ein einziges niederländisches Unternehmen ASML investiert. Sie ist es, die hinter der Produktion von Prozessoren in der Welt mit der EUV-Lithografiemethode steht! Beeindruckend! Was ist ASML und warum haben wir noch nichts davon gehört? Eine Firma aus den Niederlanden - was für ein dunkles Pferd?
Die Sache ist, dass ASML genau das Tool entwickelt hat, ohne das Apple, Samsung und Intel mit AMD praktisch ohne Hände sind! Wir sprechen von einer Installation im Wert von über 120 Millionen US-Dollar. Es ist riesig, 180 Tonnen, verbraucht fast 1 Megawatt Strom und benötigt fast 1,5 Tonnen Wasser pro Minute, um es abzukühlen! Aber selbst zu einem solchen Preis stehen die Warteschlangen seit Jahren, weil mehrere Dutzend dieser Maschinen pro Jahr produziert werden. Erwähnenswert ist auch der beträchtliche Beitrag der russischen Köpfe. Einer der Entwickler dieser Technologie ist beispielsweise Vadim Evgenievich Banin, jetzt Entwicklungsleiter bei ASML. Auch unsere anderen Landsleute arbeiten in der Firma! Wir haben herausgefunden, dass dieses Unternehmen eines der technologisch fortschrittlichsten Geräte herstellt, bei dem das gesamte Wissen der Menschheit gesammelt wird und alle IT-Giganten gleichzeitig Prozessoren darauf produzieren!
Aber nicht nur ASML steht hinter den Rücken der bekannten IT-Giganten. Ihre Installationen bestehen aus mehr als 100.000 Teilen, die von mehr als tausend Unternehmen auf der ganzen Welt hergestellt werden. Alle diese Unternehmen sind miteinander verbunden!
Zukunft
Aber was wird als nächstes passieren! Hast du gedacht, dass wir dich heute verlassen werden? Nein - wir haben in die Zukunft geschaut! Wir haben Informationen darüber, was nach fünf oder sogar zwei Seemeilen passieren wird!
Während Sie dieses Video ansehen, stellt TSMC bereits neue Prozessoren für HUAWEI, Apple und Samsung mit EUV-Lithografie her, jedoch nicht bei 7 nm, wie dies bei Apple A13 und Kirin 990 der Fall war, sondern bei 5-nm-Prozesstechnologie ! Und dafür gibt es viele Beweise! Und wir werden diesen Herbst davon hören. Wie gefällt dir das - der A14 Bionic wird 5nm sein! Wir warten auch auf die neuen 5-nm-Exynos- und Google-Prozessoren, über die wir separat gesprochen haben! Qualcomm wird ihnen wahrscheinlich auch folgen, aber hier haben wir keine Daten!
Und zweitens, und dies explodiert im Allgemeinen das Gehirn, schließt ASML bereits die Entwicklung von Installationen ab, die es ermöglichen, Prozessoren auf einer 2-Nanometer-Prozesstechnologie herzustellen, und noch weniger in nur 4-5 Jahren!
Dafür haben die Jungs von der niederländischen Firma zusammen mit dem deutschen Zeiss neue Spiegelgläser mit hohen Blendenwerten entwickelt. Dies sind anamorphotische Optiken - und vieles mehr, mit denen Sie die Auflösung erhöhen können.
Der Prozess selbst ist im Wesentlichen derselbe EUV, jedoch mit dem EUV-Präfix High-NA. Und die Einheiten selbst nehmen noch mehr Platz ein. Schauen Sie, wie sie die Optik für sie herstellen! Dieses Jahr ist für alle schwierig, aber gleichzeitig - schauen Sie sich an, welche Schritte Technologien immer mehr zu entwickeln beginnen. Wir warten auf neue Prozessoren mit Kapazitäten, von denen wir nie geträumt haben.
Darüber hinaus werden völlig neue Arten von Prozessoren wie NPUs für das Neurocomputing entwickelt.