Aquí hay una semilla para usted: un láser de 30 kilovatios en el vacío dispara a una gota de estaño y la convierte en plasma, ¿fantástico decir?
Y averiguaremos cómo funciona y le contaremos sobre una empresa de Europa, que se erige como una sombra detrás de todos los gigantes Apple, AMD, Intel, Qualcomm, Samsung y otros, y sin ella no habría nuevos procesadores. Y no, desafortunadamente, esta no es la planta de electrónica de Cheboksary.
Para comprender el proceso de la litografía ultravioleta extrema, primero debemos comprender qué es la fotolitografía. ¡El proceso en sí es muy similar a cómo se imprimen fotografías de negativos de película en papel fotográfico! No me creas, ahora te lo explicaremos todo.
Fotolitografía
Comencemos con un ejemplo simple: tome un vidrio transparente y aplique algún tipo de patrón geométrico, dejando algunas áreas sin pintura. Básicamente, hagamos una plantilla. Coloque este pedazo de vidrio en la linterna y enciéndalo. Obtendremos exactamente el mismo patrón de sombras que aplicamos a la pieza de vidrio. En la fabricación de procesadores, esta pieza de vidrio con un patrón se llama máscara. La máscara permite obtener en la superficie de cualquier material áreas "sobreexpuestas y subexpuestas" de cualquier forma plana.
Ok, tenemos un dibujo en la superficie, pero es solo una sombra. Ahora tenemos que guardarlo de alguna manera allí. Para esto, se aplica una capa especial sensible a la luz a la superficie de la oblea de silicio, que se llama Photoresist. Por simplicidad, no hablaremos aquí de fotoprotectores positivos y negativos, por qué reaccionan de esta manera, después de todo, no estamos en una lección de química física. Digamos que se trata de una sustancia que cambia sus propiedades cuando la luz la golpea a una determinada frecuencia, es decir, a una determinada longitud de onda. Nuevamente, al igual que en la película fotográfica o el papel fotográfico, ¡capas especiales de materiales reaccionan a la luz!
Después de haber iluminado las áreas de silicona que necesitamos, podemos eliminarlas, dejando el resto, es decir, las áreas no iluminadas, en su lugar. Como resultado, obtuvimos el dibujo que queríamos. ¡Esto es fotolitografía!
Por supuesto, además de la fotolitografía, otros procesos están involucrados en la producción de procesadores, como el grabado y la deposición, de hecho, al combinar estos procesos junto con la fotolitografía, los transistores son, por así decirlo, impresos capa por capa sobre silicio.
La tecnología no es nueva, casi todos los procesadores desde la década de 1960 se producen mediante fotolitografía. Fue esta tecnología la que abrió el mundo de los transistores de efecto de campo y el camino a toda la microelectrónica moderna.
¡Pero el gran salto adelante en esta área solo ocurrió recientemente! Con la transición a EUV. Y todo por la longitud de onda de 13,5 nm. ¡No te preocupes, te lo explicaré ahora! La longitud de onda a la que brilla nuestra "linterna" es un parámetro increíblemente importante. Es ella quien determina qué tan pequeños pueden obtener los elementos en el cristal. La regla es lo más simple posible: ¡Menos longitud de onda significa más resolución y menos tecnología de proceso! Presta atención a la imagen. Absolutamente todos los procesadores desde principios de los 90 hasta 2019 se produjeron utilizando el proceso de litografía Deep UV o litografía DUV. Esto es lo que era antes de Extreme.
Se basó en el uso de un láser de fluoruro de argón que emite luz a una longitud de onda de 193 nanómetros. Esta luz se encuentra en la región de la radiación ultravioleta profunda, de ahí el nombre.
Pasa a través del sistema de lentes, la máscara y sobre nuestro cristal recubierto de fotorresistencia, creando el patrón deseado. Pero esta tecnología también tenía sus limitaciones, ligadas a las leyes fundamentales de la física. ¿Cuál es el proceso técnico mínimo posible? Miramos la fórmula (no se alarme):
Aquí, Lambda es nuestra longitud de onda y CD es la dimensión crítica, es decir, el tamaño mínimo de la estructura resultante. Es decir, utilizando la litografía DUV "antigua", se pueden obtener estructuras de al menos aproximadamente 50 nm. Pero, ¿cómo puedes preguntar esto? Después de todo, los fabricantes hicieron perfectamente tanto 14 como 10 nm, y algunos incluso 7 nm usando litografía DUV.
Fueron por trucos. En lugar de un solo deslumbramiento a través de una sola máscara, comenzaron a usar varias máscaras, con diferentes patrones que se complementan entre sí. Este proceso se llama exposición múltiple . ¡Llamemos a esto el principio de la tarta de hojaldre! Sí, los fabricantes pasaron por alto las limitaciones físicas directas, ¡pero la física no se engañó!
Ha surgido un problema grave: estos pasos adicionales han encarecido mucho la producción de cada chip, por eso aumenta el número de rechazos y hay otros problemas.
Es decir, en teoría, puede continuar trabajando con la tecnología antigua y jugando con máscaras y exposición (exposición doble, triple, cuádruple), reducir aún más el tamaño, pero esto hará que el proceso sea oro. De hecho, con cada capa, el porcentaje de rechazos aumenta cada vez más y el error se acumula.
Es decir, ¡podemos decir que DUV es un callejón sin salida! ¿Qué hacer a continuación, cómo reducir?
¡Y aquí es donde la gran y terrible tecnología de la litografía ultravioleta extrema, o litografía EUV, viene al rescate!
Mire la foto: demuestra perfectamente la diferencia entre las dos tecnologías. Ambos se obtuvieron utilizando una tecnología de proceso de 7 nanómetros, pero el de la izquierda se obtuvo mediante litografía DUV y con los mismos trucos de los que hablamos: triple exposición, es decir, con el uso escalonado de 3 máscaras diferentes. A la derecha está la tecnología de litografía EUV a 13,5 nanómetros, usando una sola máscara - la diferencia es obvia - los límites son mucho más claros, mejor control de la geometría, y el proceso en sí es mucho más rápido, el porcentaje de rechazos es menor, es decir, al final es más barato. Aquí está el camino hacia un futuro brillante, ¿por qué no hacerlo de inmediato, cuál es el problema?
Cómo funciona la litografía EUV
El caso es que aunque EUV es la misma litografía, dentro de los detalles todo es mucho más complicado y ¡aquí los científicos e ingenieros se enfrentan a nuevos problemas!
La tecnología de la litografía ultravioleta extrema en sí comenzó a desarrollarse a principios de la década de 2000. Utiliza una fuente que emite luz con una longitud de onda de 13,5 nanómetros, es decir, en el extremo inferior del espectro UV, ¡cerca de los rayos X!
En teoría, este método se puede utilizar para crear estructuras de dimensiones ya críticas, tan pequeñas que un poco más y las leyes de la física ordinaria dejarán de operar sobre ellas. Es decir, después de 5 nm, ¡nos encontramos en el mundo cuántico! Pero incluso este problema se ha resuelto por el momento. Hay una fuente: tómala y conviértete en procesadores arbitrariamente pequeños.
¡No es tan simple en absoluto!
El problema con estas longitudes de onda cortas es que son absorbidas por casi todos los materiales, por lo que lentes convencionales que antes ya no se ajustaban. ¿Qué hacer?
Para controlar esta luz, se decidió crear lentes espejados reflectantes especiales. ¡Y estos lentes deben ser suaves! Muy suave !!! ¡Casi perfectamente liso!
Aquí tienes una analogía: estiremos la lente al tamaño de, digamos, Alemania, para que su superficie sea tan suave que nada sobresalga más de 1 milímetro. Este parámetro se denomina rugosidad de la lente y el requerido debe ser inferior a 0,5 nanómetros. ¡Esto ya está cerca del tamaño de un ATOM! ¿Quién puede herrar a una pulga?
Por supuesto, Zeiss, ¡solo ellos pueden hacerlo! Sí, la misma compañía Zeiss, cuyos lentes están en mi cámara, estaba en Nokia o en los buques insignia de Sony Xperia. Un problema resuelto: ¡hay lentes! Hay un segundo: esta luz se dispersa incluso en el aire. Por lo tanto, para que el proceso se desarrolle con normalidad, ¡debe realizarse en vacío! Por lo general, guardo silencio sobre el polvo y las partículas de suciedad; está claro que no deberían estar allí en absoluto. Las salas blancas en una producción de este tipo son órdenes de magnitud más limpias que las salas de operaciones de los hospitales. La gente camina literalmente en trajes espaciales. ¡Cualquier, incluso la más pequeña partícula de suciedad, piel o aire puede arruinar tanto la máscara como los espejos!
¿Y la fuente? Simplemente coloque un láser especial en una longitud de onda más corta y eso es todo. El problema es que ni las bombillas, ni los láseres, ni ninguna otra fuente de luz normal que emita a esta longitud de onda simplemente no existen en la naturaleza.
¿Y cómo se obtiene entonces la radiación necesaria? Primaria, Watson, necesitamos plasma.
¡Es necesario calentar el vapor de estaño a temperaturas 100 veces más altas que la temperatura de la superficie del sol! ¡Sólo! Y hay casi 2 décadas de desarrollo detrás de esto.
En la instalación para la producción de procesadores por litografía EUV, de la que hablaremos por separado, se instala un láser especial de dióxido de carbono, que, nuevamente, se puede producir en tándem de solo dos empresas en el mundo: la empresa alemana Trumpf y la estadounidense Cymer. Este monstruo de 30 kilovatios dispara 2 pulsos a una frecuencia de 50 kilohercios.
El láser golpea las gotas de estaño, el primer disparo en realidad se aplana y convierte la gota en un panqueque, que se convierte en un blanco fácil para la segunda descarga, que le prende fuego. ¡Y esto sucede 50 mil veces por segundo! Y el plasma resultante emite esta luz en el espectro ultravioleta extremo. Y, por supuesto, esto es solo la base, pero tratamos de pintarles una imagen de lo difícil y genial que es este proceso.
La empresa detrás de todos los procesadores
Hablaron de la tecnología, significa que alguien la inventó e implementó, pero su desarrollo resultó ser tan costoso que incluso los grandes gigantes y peces gordos no pueden sacar tales presupuestos.
Al final, para que esto se hiciera realidad, todos tuvieron que contribuir: Intel en 2012, y TSMC y Samsung participaron en un proyecto común en algún lugar de 2015. La inversión total fue, según diversas estimaciones, de 14 a 21 mil millones de dólares. De los cuales casi 10 mil millones se invirtieron en una sola empresa holandesa ASML. ¡Es ella quien está detrás de toda la producción de procesadores en el mundo utilizando el método de litografía EUV! ¡Guauu! ¿Qué es ASML y por qué no hemos oído hablar de él? Una empresa de los Países Bajos, ¿qué caballo oscuro?
¡Lo que pasa es que ASML ha creado la propia herramienta sin la cual Apple, Samsung e Intel con AMD están prácticamente sin manos! Estamos hablando de una instalación por valor de más de 120 millones de dólares. Es enorme, 180 toneladas, consume casi 1 megavatio de electricidad y necesita casi 1,5 toneladas de agua por minuto para enfriarlo. Pero incluso con ese precio, las colas para ellos se han hecho durante años, porque varias docenas de estas máquinas se producen al año. También vale la pena mencionar la considerable contribución de las mentes rusas. Por ejemplo, uno de los creadores de esta tecnología es Vadim Evgenievich Banin, ahora director de desarrollo de ASML. ¡Nuestros otros compatriotas también trabajan en la empresa! Descubrimos que esta empresa fabrica uno de los dispositivos tecnológicamente más avanzados, en el que se recopila todo el conocimiento de la humanidad y todos los gigantes de TI producen procesadores en ellos.
Pero no solo ASML está a espaldas de los conocidos gigantes de TI. Sus instalaciones constan de más de 100 mil piezas, que son fabricadas por más de mil empresas en todo el mundo. ¡Todas estas empresas están relacionadas entre sí!
Futuro
¡Pero qué pasará después! ¿Pensaste que te dejaremos en el día de hoy? No, ¡miramos hacia el futuro! ¡Tenemos información sobre lo que sucederá después de cinco o incluso dos nm!
Primero, ahora mismo, mientras está viendo este video, TSMC ya está produciendo nuevos procesadores para HUAWEI, Apple y Samsung usando litografía EUV, pero no a 7nm, como fue el caso con Apple A13 y Kirin 990, sino con tecnología de proceso de 5nm. ! ¡Y hay muchas pruebas de ello! Y escucharemos sobre ellos este otoño. ¿Qué te parece? ¡El A14 Bionic será de 5 nm! ¡También estamos esperando los nuevos procesadores Exynos y Google de 5nm, de los que hablamos por separado! Qualcomm probablemente los seguirá también, ¡pero aquí no tenemos datos!
Y en segundo lugar, y esto generalmente hace explotar el cerebro, ASML ya está completando el desarrollo de instalaciones que permitirán producir procesadores en una tecnología de proceso de 2 nanómetros, ¡e incluso menos en solo 4-5 años!
Para ello, los chicos de la empresa holandesa, junto con la alemana Zeiss, han desarrollado nuevas lentes de espejo con valores de apertura elevados. Estas son ópticas anamórficas, y mucho más, le permitirán aumentar la resolución.
El proceso en sí es esencialmente el mismo EUV, pero con el prefijo EUV de alta NA. Y las unidades en sí mismas ocuparán aún más espacio, ¡mira, así es como se hacen las ópticas para ellas! Este año es difícil para todos, pero al mismo tiempo, mire qué pasos están comenzando a desarrollarse las tecnologías, cada vez más. Estamos esperando nuevos procesadores con capacidades con las que nunca soñamos.
Además, se están desarrollando tipos de procesadores completamente nuevos, como las NPU, para la neurocomputación.