Ini benih untuk Anda - laser 30 kilowatt dalam ruang hampa menembak setetes timah dan mengubahnya menjadi plasma - katakanlah fantastis?
Dan kami akan mencari tahu cara kerjanya dan memberi tahu Anda tentang satu perusahaan dari Eropa, yang berdiri sebagai bayangan di balik semua raksasa Apple, AMD, Intel, Qualcomm, Samsung dan lainnya, dan tanpanya tidak akan ada prosesor baru. Dan tidak, sayangnya, ini bukan Pabrik Elektronik Cheboksary.
Untuk memahami proses litografi ultraviolet ekstrim, pertama-tama kita perlu memahami apa itu fotolitografi. Prosesnya sendiri sangat mirip dengan bagaimana foto dicetak dari negatif film ke kertas foto! Jangan percaya padaku - sekarang kami akan menjelaskan semuanya.
Fotolitografi
Mari kita mulai dengan contoh sederhana - ambil kaca transparan dan terapkan beberapa jenis pola geometris padanya, sambil menyisakan beberapa area tanpa cat. Pada dasarnya, mari kita membuat stensil. Pasang kaca ini ke senter dan nyalakan. Kita akan mendapatkan pola bayangan yang sama persis dengan yang kita terapkan pada potongan kaca. Dalam pembuatan prosesor, potongan kaca dengan pola ini disebut topeng. Masker memungkinkan Anda untuk berada di permukaan material apa pun yang "terlalu terang dan kurang" dengan bentuk datar apa pun.
Oke - kami mendapat gambar di permukaan, tapi itu hanya bayangan. Sekarang kita perlu menyimpannya di sana. Untuk ini, lapisan peka cahaya khusus diterapkan ke permukaan wafer silikon, yang disebut Photoresist. Untuk kesederhanaan, di sini kita tidak akan berbicara tentang fotoresis positif dan negatif, mengapa mereka bereaksi seperti ini, bagaimanapun juga, kita tidak berada dalam pelajaran kimia fisik. Anggap saja ini adalah zat yang mengubah sifat-sifatnya ketika cahaya menghantamnya pada frekuensi tertentu, yaitu pada panjang gelombang tertentu. Sekali lagi, seperti pada film fotografi atau kertas foto - lapisan bahan khusus bereaksi terhadap cahaya!
Setelah kita menerangi area silikon yang kita butuhkan, kita dapat menghilangkannya, sambil membiarkan sisanya di tempatnya, yaitu area yang tidak diterangi. Hasilnya, kami mendapatkan gambar yang kami inginkan. Ini adalah fotolitografi!
Tentu saja, selain fotolitografi, proses lain terlibat dalam produksi prosesor, seperti etsa dan deposisi, pada kenyataannya, dengan menggabungkan proses ini bersama-sama dengan fotolitografi, transistor, seolah-olah, dicetak lapis demi lapis pada silikon.
Teknologinya bukanlah hal baru, hampir semua prosesor sejak tahun 1960-an diproduksi dengan menggunakan fotolitografi. Teknologi inilah yang membuka dunia transistor efek medan dan jalur menuju semua mikroelektronika modern.
Tetapi lompatan ke depan yang sangat besar di bidang ini baru terjadi baru-baru ini! Dengan transisi ke EUV. Dan semua itu karena panjang gelombang 13,5 nm. Jangan khawatir, saya akan jelaskan sekarang! Panjang gelombang di mana "senter" kita bersinar merupakan parameter yang sangat penting. Dialah yang menentukan seberapa kecil Anda bisa mendapatkan elemen pada kristal. Aturannya sesederhana mungkin: Lebih sedikit panjang gelombang berarti lebih banyak resolusi, dan lebih sedikit teknologi proses! Perhatikan gambarnya. Benar-benar semua prosesor dari awal 90-an hingga 2019 diproduksi menggunakan proses litografi UV Dalam, atau litografi DUV. Inilah yang terjadi sebelum Extreme.
Itu didasarkan pada penggunaan laser argon-fluorida yang memancarkan cahaya dengan panjang gelombang 193 nanometer. Cahaya ini terletak di wilayah radiasi ultraviolet yang dalam - itulah namanya.
Ini melewati sistem lensa, topeng dan ke kristal berlapis photoresist kami, menciptakan pola yang diinginkan. Tetapi teknologi ini juga memiliki keterbatasan, terkait dengan hukum dasar fisika. Bagaimana proses teknis minimum yang mungkin? Kami melihat rumusnya (jangan khawatir):
Di sini Lambda adalah panjang gelombang kami, dan CD adalah dimensi kritis, yaitu ukuran minimum struktur yang dihasilkan. Artinya, dengan menggunakan litografi DUV "lama", struktur setidaknya sekitar 50 nm dapat diperoleh. Tapi bagaimana Anda bisa menanyakan ini? Bagaimanapun, pabrikan dengan sempurna melakukan baik 14 dan 10 nm, dan beberapa bahkan 7 nm menggunakan litografi DUV.
Mereka mencari trik. Alih-alih satu silau melalui satu topeng tunggal, mereka mulai menggunakan beberapa topeng, dengan pola berbeda yang saling melengkapi. Proses ini disebut multiple exposure . Sebut saja ini Prinsip Puff Pie! Ya - pabrikan melewati batasan fisik langsung, tetapi fisika tidak menipu!
Masalah serius telah muncul: langkah-langkah tambahan ini telah membuat produksi setiap chip jauh lebih mahal, karena itu, jumlah penolakan meningkat, dan ada masalah lain.
Artinya, secara teori, Anda dapat terus bekerja dengan teknologi lama dan dengan bermain dengan topeng dan eksposur (eksposur ganda, tiga kali lipat, empat kali lipat), kurangi ukurannya lebih jauh, tetapi ini akan membuat proses emas. Memang, dengan setiap lapisan, persentase penolakan tumbuh semakin tinggi, dan kesalahan terakumulasi!
Artinya, kita dapat mengatakan bahwa DUV adalah jalan buntu! Apa yang harus dilakukan selanjutnya, bagaimana cara mengurangi?
Dan di sinilah teknologi hebat dan mengerikan dari litografi UV Ekstrim, atau litografi EUV, datang untuk menyelamatkan!
Lihat foto - dengan sempurna menunjukkan perbedaan antara kedua teknologi. Keduanya diperoleh dengan menggunakan teknologi proses 7-nanometer, tetapi yang di sebelah kiri diperoleh dengan menggunakan litografi DUV dan dengan trik yang kita bicarakan - paparan tiga kali lipat, yaitu, dengan penggunaan bertahap dari 3 masker yang berbeda. Di sebelah kanan adalah teknologi litografi EUV pada 13,5 nanometer, menggunakan topeng tunggal - perbedaannya jelas - batasnya jauh lebih jelas, kontrol geometri yang lebih baik, dan prosesnya sendiri jauh lebih cepat, persentase penolakan lebih sedikit, sehingga pada akhirnya lebih murah. Ini dia jalan menuju masa depan yang cerah, kenapa tidak langsung dilakukan, apa masalahnya?
Bagaimana litografi EUV bekerja
Masalahnya adalah bahwa meskipun EUV adalah litograf yang sama, di dalam detail semuanya jauh lebih rumit dan di sini para ilmuwan dan insinyur menghadapi masalah baru!
Teknologi litografi UV ekstrim mulai dikembangkan pada awal tahun 2000-an. Ia menggunakan sumber yang memancarkan cahaya dengan panjang gelombang 13,5 nanometer - yaitu, di ujung bawah spektrum UV, dekat dengan sinar-X!
Secara teori, metode ini dapat digunakan untuk membuat struktur dengan dimensi yang sudah kritis - sangat kecil sehingga sedikit lebih banyak dan hukum fisika biasa akan berhenti bekerja padanya. Artinya, setelah 5 nm kita menemukan diri kita di dunia kuantum! Tetapi bahkan masalah ini telah diselesaikan saat ini. Ada sumber - ambillah, dan buat sendiri prosesor kecil sewenang-wenang.
Sama sekali tidak sesederhana itu!
Masalah dengan panjang gelombang pendek ini adalah bahwa mereka diserap oleh hampir semua bahan, jadi lensa konvensional yang sebelumnya tidak lagi pas. Apa yang harus dilakukan?
Untuk mengontrol cahaya ini, diputuskan untuk membuat lensa cermin reflektif khusus. Dan lensa ini harus mulus! Sangat lembut !!! Hampir mulus sempurna!
Berikut analoginya untuk Anda - mari kita rentangkan lensa ke ukuran, katakanlah, Jerman, jadi permukaannya harus sangat halus sehingga tidak ada benda yang menonjol lebih dari 1 milimeter. Parameter ini disebut kekasaran lensa dan yang kita butuhkan harus kurang dari 0,5 nanometer. Ini sudah mendekati ukuran ATOM! Siapa yang bisa membuat sepatu kutu?
Tentu saja, Zeiss - hanya mereka yang bisa melakukannya! Ya - perusahaan Zeiss yang sama, yang lensanya ada di kamera saya, ada di Nokia atau di flagships Sony Xperia. Satu masalah terpecahkan - ada lensa! Ada satu detik - cahaya ini tersebar bahkan di udara biasa. Oleh karena itu, agar prosesnya berjalan normal, itu harus dilakukan dalam ruang hampa! Saya biasanya diam tentang partikel debu dan kotoran - jelas bahwa mereka tidak boleh ada sama sekali. Kamar bersih dalam produksi seperti itu jauh lebih bersih daripada ruang operasi di rumah sakit! Orang benar-benar berjalan dengan pakaian antariksa. Apa pun, bahkan partikel terkecil dari kotoran, kulit, atau udara dapat merusak topeng dan cermin!
Dan bagaimana dengan sumbernya? Letakkan saja laser khusus pada panjang gelombang yang lebih pendek dan hanya itu? Masalahnya adalah bahwa baik bohlam, atau laser, atau sumber cahaya normal lainnya yang memancarkan pada panjang gelombang ini sama sekali tidak ada di alam.
Lalu, bagaimana Anda mendapatkan radiasi yang dibutuhkan? Dasar, Watson - kita butuh plasma.
Diperlukan untuk memanaskan uap timah hingga suhu 100 kali lebih tinggi dari suhu permukaan matahari! Hanya! Dan ada hampir 2 dekade pembangunan di belakang ini.
Dalam instalasi untuk produksi prosesor oleh litografi EUV, yang akan kita bicarakan secara terpisah, laser karbon dioksida khusus dipasang, yang, sekali lagi, dapat diproduksi bersama-sama hanya dengan dua perusahaan di dunia - perusahaan Jerman Trumpf dan Cymer Amerika. Monster 30 kilowatt ini menembakkan 2 pulsa dengan frekuensi 50 kilohertz.
Laser mengenai tetesan timah, tembakan pertama benar-benar mendatar dan mengubah tetesan itu menjadi pancake, yang menjadi sasaran empuk untuk tembakan kedua, yang menyulutnya. Dan ini terjadi 50 ribu kali per detik! Dan plasma yang dihasilkan memancarkan cahaya ini dalam spektrum UV yang ekstrim. Dan tentu saja, ini hanya bagian paling dasar, tetapi kami mencoba memberi Anda gambaran tentang betapa sulit dan kerennya proses ini.
Perusahaan di balik semua prosesor
Mereka berbicara tentang teknologi, itu berarti seseorang menemukan dan menerapkannya, tetapi perkembangannya ternyata sangat mahal sehingga bahkan raksasa dan petinggi besar tidak dapat menarik anggaran sebesar itu!
Pada akhirnya, agar ini menjadi kenyataan, setiap orang harus ikut campur - Intel pada tahun 2012, dan TSMC serta Samsung mengambil bagian dalam proyek bersama di suatu tempat pada tahun 2015. Total investasi, menurut berbagai perkiraan, dari 14 hingga 21 miliar dolar! Hampir 10 miliar di antaranya diinvestasikan di satu perusahaan Belanda ASML. Dialah yang berada di balik semua produksi prosesor di dunia menggunakan metode litografi EUV! Wow! Apa itu ASML dan mengapa kita belum pernah mendengarnya? Perusahaan dari Belanda - sungguh kuda hitam?
Masalahnya adalah bahwa ASML telah menciptakan alat yang tanpanya Apple, Samsung dan Intel dengan AMD praktis tanpa tangan! Kita berbicara tentang instalasi yang bernilai lebih dari $ 120 juta. Besar sekali, 180 ton, menghabiskan hampir 1 megawatt listrik, dan membutuhkan hampir 1,5 ton air per menit untuk mendinginkannya! Tapi meski dengan harga segitu, antrian untuk mereka sudah berdiri bertahun-tahun, karena puluhan mesin ini diproduksi setahun. Perlu juga disebutkan kontribusi besar dari pemikiran Rusia. Contohnya, salah satu pencipta teknologi ini adalah Vadim Evgenievich Banin, sekarang direktur pengembangan di ASML. Rekan kami yang lain juga bekerja di perusahaan! Kami menemukan bahwa perusahaan ini membuat salah satu perangkat yang paling berteknologi maju, tempat semua pengetahuan umat manusia dikumpulkan dan semua raksasa IT memproduksi prosesor sekaligus!
Tapi tidak hanya ASML yang berada di belakang raksasa IT terkenal itu. Instalasi mereka terdiri lebih dari 100 ribu bagian, yang diproduksi oleh lebih dari seribu perusahaan di seluruh dunia. Semua perusahaan ini terkait satu sama lain!
Masa depan
Tapi apa yang akan terjadi selanjutnya! Apakah Anda berpikir bahwa kami akan meninggalkan Anda pada hari ini? Tidak - kami mengintip ke masa depan! Kami mendapat informasi tentang apa yang akan terjadi setelah lima atau bahkan dua nm!
Pertama, saat ini, saat Anda menonton video ini, TSMC sudah mengeluarkan prosesor baru untuk HUAWEI, Apple, dan Samsung menggunakan litografi EUV, tetapi tidak pada 7 nm, seperti yang terjadi pada Apple A13 dan Kirin 990, tetapi pada teknologi proses 5 nm. ! Dan ada banyak buktinya! Dan kami akan mendengar tentang mereka musim gugur ini. Bagaimana Anda menyukainya - A14 Bionic akan menjadi 5nm! Kami juga menunggu prosesor Exynos dan Google 5nm baru, yang telah kami bicarakan secara terpisah! Qualcomm mungkin akan mengikuti mereka juga, tetapi di sini kami tidak memiliki data!
Dan kedua, dan ini biasanya meledakkan otak, ASML telah menyelesaikan pengembangan instalasi yang akan memungkinkan untuk memproduksi prosesor dengan teknologi proses 2 nanometer, dan bahkan lebih sedikit hanya dalam 4-5 tahun!
Untuk ini, orang-orang dari perusahaan Belanda, bersama dengan Zeiss Jerman, telah mengembangkan lensa cermin baru dengan nilai aperture tinggi. Ini adalah optik anamorphic - dan banyak lagi, mereka akan memungkinkan Anda untuk meningkatkan resolusi.
Prosesnya sendiri pada dasarnya adalah EUV yang sama, tetapi dengan awalan EUV NA Tinggi. Dan unit itu sendiri akan mengambil lebih banyak ruang, lihat inilah cara optik dibuat untuk mereka! Tahun ini sulit bagi semua orang, tetapi pada saat yang sama - lihat langkah-langkah apa yang mulai berkembang teknologi, semakin banyak. Kami menunggu prosesor baru dengan kapasitas yang tidak pernah kami impikan.
Selain itu, jenis prosesor yang benar-benar baru sedang dikembangkan, seperti NPU, untuk neurocomputing.