Aqui está uma semente para você - um laser de 30 quilowatts no vácuo atira em uma gota de estanho e a transforma em plasma - fantástico, digamos?
E vamos descobrir como funciona e falar sobre uma empresa da Europa, que permanece como uma sombra por trás de todos os gigantes Apple, AMD, Intel, Qualcomm, Samsung e outros, e sem ela não haveria novos processadores. E não, infelizmente, esta não é a fábrica de eletrônicos Cheboksary.
Para entender o processo de litografia ultravioleta extrema, primeiro precisamos entender o que é fotolitografia. O processo em si é muito semelhante a como as fotografias são impressas de negativos de filme em papel fotográfico! Não acredite em mim - agora vamos explicar tudo.
Fotolitografia
Vamos começar com um exemplo simples - pegue um vidro transparente e aplique algum tipo de padrão geométrico nele, deixando algumas áreas sem pintura. Basicamente, vamos fazer um estêncil. Prenda este pedaço de vidro na lanterna e ligue-o. Obteremos exatamente o mesmo padrão de sombra que aplicamos ao pedaço de vidro. Na fabricação de processadores, essa peça de vidro com um padrão é chamada de máscara. A máscara permite que você obtenha na superfície de qualquer material áreas "superexpostas e subexpostas" de qualquer forma plana.
Ok - temos um desenho na superfície, mas é apenas uma sombra. Agora precisamos salvá-lo de alguma forma lá. Para isso, uma camada especial sensível à luz é aplicada à superfície do wafer de silício, que é chamada de Fotorresiste. Para simplificar, não vamos falar aqui de fotoresiste positivo e negativo, porque eles reagem dessa forma, afinal, não estamos em uma aula de físico-química. Digamos apenas que se trata de uma substância que muda suas propriedades quando a luz a atinge em uma determinada frequência, ou seja, em um determinado comprimento de onda. Novamente, assim como no filme fotográfico ou no papel fotográfico - camadas especiais de materiais reagem à luz!
Depois de iluminar as áreas de que precisamos com silício, podemos removê-las, deixando o resto, ou seja, as áreas não iluminadas, no lugar. Como resultado, conseguimos o desenho que queríamos. Isso é fotolitografia!
É claro que, além da fotolitografia, outros processos estão envolvidos na produção de processadores, como gravação e deposição; na verdade, ao combinar esses processos com a fotolitografia, os transistores são, por assim dizer, impressos camada por camada em silício.
A tecnologia não é nova, quase todos os processadores desde a década de 1960 são produzidos por fotolitografia. Foi essa tecnologia que abriu o mundo dos transistores de efeito de campo e o caminho para toda a microeletrônica moderna.
Mas o salto realmente grande nesta área só aconteceu recentemente! Com a transição para EUV. E tudo por causa do comprimento de onda de 13,5 nm. Não se preocupe, vou explicar agora! O comprimento de onda em que nossa "lanterna" brilha é um parâmetro extremamente importante. É ela quem determina o quão pequeno você pode obter os elementos no cristal. A regra é o mais simples possível: menos comprimento de onda significa mais resolução e menos tecnologia de processo! Preste atenção na foto. Absolutamente todos os processadores do início dos anos 90 a 2019 foram produzidos usando o processo de litografia UV Profunda, ou litografia DUV. Isso é o que era antes do Extreme.
Ele se baseou no uso de um laser de fluoreto de argônio que emite luz com comprimento de onda de 193 nanômetros. Essa luz fica na região de radiação ultravioleta profunda - daí o nome.
Ele passa pelo sistema de lentes, pela máscara e pelo nosso cristal revestido por fotorresiste, criando o padrão desejado. Mas essa tecnologia também tinha suas limitações, ligadas às leis fundamentais da física. Qual é o processo técnico mínimo possível? Nós olhamos a fórmula (mas não se assuste):
Aqui Lambda é o nosso comprimento de onda e CD é a dimensão crítica, ou seja, o tamanho mínimo da estrutura resultante. Ou seja, usando a "antiga" litografia DUV, estruturas de pelo menos cerca de 50 nm podem ser obtidas. Mas como você pode perguntar isso? Afinal, os fabricantes fizeram perfeitamente ambos 14 e 10 nm, e alguns até 7 nm usando litografia DUV.
Eles foram atrás de truques. Em vez de um único brilho através de uma única máscara, eles passaram a usar várias máscaras, com padrões diferentes que se complementam. Este processo é denominado exposição múltipla . Vamos chamar isso de Princípio Puff Pie! Sim - os fabricantes contornaram as limitações físicas diretas, mas a física não enganou!
Surgiu um problema sério: essas etapas adicionais tornaram a produção de cada chip muito mais cara, por causa delas aumenta o número de rejeições e há outros problemas.
Ou seja, em tese você pode continuar trabalhando com a tecnologia antiga e brincando com máscaras e exposição (exposição dupla, tripla, quádrupla), reduzir ainda mais o tamanho, mas isso tornará o processo ouro. Na verdade, a cada camada, a porcentagem de rejeições cresce cada vez mais, e o erro se acumula!
Ou seja, podemos dizer que o DUV é um beco sem saída! O que fazer a seguir, como reduzir?
E aí vem a grande e terrível tecnologia da litografia ultravioleta, ou litografia EUV!
Olhe para a foto - ela demonstra perfeitamente a diferença entre as duas tecnologias. Ambos foram obtidos com a tecnologia de processo de 7 nanômetros, mas o da esquerda foi obtido com a litografia DUV e com os próprios truques de que falamos - exposição tripla, ou seja, com o uso em fases de 3 máscaras diferentes. À direita está a tecnologia de litografia EUV a 13,5 nanômetros, usando uma única máscara - a diferença é óbvia - os limites são muito mais claros, melhor controle da geometria e o processo em si é muito mais rápido, menos rejeições, ou seja, no final das contas, mais barato. Aqui está o caminho para um futuro brilhante, por que não fazê-lo imediatamente, qual é o problema?
Como funciona a litografia EUV
Acontece que embora EUV seja a mesma litografia, dentro dos detalhes tudo é muito mais complicado e aqui cientistas e engenheiros enfrentaram novos problemas!
A tecnologia da litografia ultravioleta em si começou a ser desenvolvida no início dos anos 2000. Ele usa uma fonte que emite luz com comprimento de onda de 13,5 nanômetros - ou seja, na extremidade inferior do espectro de UV, perto dos raios X!
Em teoria, esse método pode ser usado para criar estruturas de dimensões já críticas - tão pequenas que um pouco mais e as leis da física comum deixarão de operar sobre elas. Ou seja, após 5 nm nos encontramos no mundo quântico! Mas até esse problema foi resolvido no momento. Existe uma fonte - pegue-a e torne-se processadores arbitrariamente pequenos.
Não é tão simples assim!
O problema com esses comprimentos de onda curtos é que eles são absorvidos por quase todos os materiais, então as lentes convencionais que antes não serviam mais. O que fazer?
Para controlar essa luz, foi decidido criar lentes espelhadas reflexivas especiais. E essas lentes precisam ser lisas! Muito suave !!! Quase perfeitamente liso!
Aqui está uma analogia para você - vamos esticar a lente para o tamanho, digamos, da Alemanha, então sua superfície deve ser tão lisa que nada deve sobressair mais do que 1 milímetro. Este parâmetro é chamado de rugosidade da lente e o necessário deve ser inferior a 0,5 nanômetro. Isso já está perto do tamanho de um ATOM! Quem pode calçar uma pulga?
Claro, Zeiss - só eles podem fazer isso! Sim - a mesma empresa Zeiss, cujas lentes estão na minha câmera, estavam na Nokia ou nos carros-chefe do Sony Xperia. Um problema resolvido - existem lentes! Há um segundo - esta luz é espalhada até mesmo no ar. Portanto, para que o processo prossiga normalmente, ele deve ser realizado no vácuo! Geralmente fico quieto sobre poeira e partículas de sujeira - é claro que elas não deveriam estar lá. Salas limpas em tal produção são ordens de magnitude mais limpas do que salas de cirurgia em hospitais! As pessoas literalmente andam em trajes espaciais. Qualquer, mesmo a menor partícula de sujeira, pele ou ar pode estragar a máscara e os espelhos!
E quanto à fonte? Basta colocar um laser especial em um comprimento de onda menor e é isso? O problema é que nem lâmpadas, nem lasers, nem qualquer outra fonte de luz normal que emita neste comprimento de onda simplesmente não existe na natureza.
E como, então, você obtém a radiação necessária? Elementar, Watson - precisamos de plasma.
É necessário aquecer o vapor de estanho a temperaturas 100 vezes superiores à temperatura da superfície do sol! Somente! E há quase 2 décadas de desenvolvimento por trás disso.
Na instalação para a produção de processadores utilizando litografia EUV, da qual falaremos separadamente, é instalado um laser especial de dióxido de carbono, que novamente pode ser produzido em conjunto com apenas duas empresas no mundo - a alemã Trumpf e a americana Cymer. Este monstro de 30 quilowatts dispara 2 pulsos a uma frequência de 50 quilohertz.
O laser atinge as gotas de estanho, o primeiro tiro na verdade achata e transforma a gota em uma panqueca, que se torna um alvo fácil para a segunda rajada, que a acende. E isso acontece 50 mil vezes por segundo! E o plasma resultante emite essa luz no espectro ultravioleta extremo. E, claro, isso é apenas a base, mas tentamos mostrar a vocês como é difícil e legal esse processo.
A empresa por trás de todos os processadores
Eles falaram sobre a tecnologia, isso significa que alguém a inventou e implementou, mas seu desenvolvimento acabou sendo tão caro que mesmo os grandes gigantes e figurões não são capazes de puxar esses orçamentos!
No final, para que isso se tornasse realidade, todos tiveram que fazer o chip - Intel em 2012, e TSMC e Samsung participaram de um projeto comum em 2015. O investimento total foi, segundo várias estimativas, de 14 a 21 bilhões de dólares! Dos quais quase 10 bilhões foram investidos em uma única empresa holandesa ASML. É ela quem está por trás de toda a produção de processadores no mundo pelo método de litografia EUV! Uau! O que é ASML e por que não ouvimos falar dele? Uma empresa da Holanda - que azarão?
O fato é que a ASML criou a própria ferramenta sem a qual Apple, Samsung e Intel com AMD ficam praticamente sem mãos! Estamos falando de uma instalação no valor de mais de US $ 120 milhões. É enorme, 180 toneladas, consome quase 1 megawatt de eletricidade e precisa de quase 1,5 tonelada de água por minuto para resfriá-lo! Mas mesmo com esse preço, as filas para eles já existem há anos, porque várias dezenas dessas máquinas são produzidas por ano. Também vale a pena mencionar a contribuição considerável das mentes russas. Por exemplo, um dos criadores dessa tecnologia é Vadim Evgenievich Banin, agora diretor de desenvolvimento da ASML. Também os nossos outros compatriotas trabalham na empresa! Descobrimos que esta empresa fabrica um dos dispositivos mais avançados tecnologicamente, no qual todo o conhecimento da humanidade é coletado e todos os gigantes da TI produzem processadores ao mesmo tempo!
Mas não é apenas a ASML que fica por trás dos conhecidos gigantes de TI. Suas instalações são compostas por mais de 100 mil peças, que são fabricadas por mais de mil empresas em todo o mundo. Todas essas empresas estão relacionadas entre si!
Futuro
Mas o que vai acontecer a seguir! Você acha que vamos deixar você no dia de hoje? Não - nós olhamos para o futuro! Recebemos informações sobre o que acontecerá depois de cinco ou mesmo dois nm!
Primeiro, agora, enquanto você assiste a este vídeo, a TSMC já está produzindo novos processadores para HUAWEI, Apple e Samsung usando litografia EUV, mas não a 7nm, como era o caso com Apple A13 e Kirin 990, mas com tecnologia de processo 5nm ! E existem muitas provas disso! E vamos ouvir sobre eles neste outono. Como você gosta disso - o A14 Bionic será de 5nm! Também estamos aguardando os novos processadores Exynos e Google de 5 nm, dos quais falamos separadamente! Provavelmente a Qualcomm também os seguirá, mas aqui não temos dados!
E em segundo lugar, e isso geralmente explode o cérebro, a ASML já está concluindo o desenvolvimento de instalações que permitirão produzir processadores em uma tecnologia de processo de 2 nanômetros, e menos ainda em apenas 4-5 anos!
Para isso, os caras da empresa holandesa, em conjunto com a alemã Zeiss, desenvolveram novas lentes espelhadas com valores de abertura elevados. Estas são ópticas anamórficas - e muito mais, elas permitirão que você aumente a resolução.
O processo em si é essencialmente o mesmo EUV, mas com o prefixo EUV de alto NA. E as próprias unidades vão ocupar ainda mais espaço, veja como a ótica é feita para elas! Este ano é difícil para todos, mas ao mesmo tempo - veja quais etapas as tecnologias estão começando a se desenvolver, cada vez mais. Estamos aguardando novos processadores com capacidades que nunca sonhamos.
Além disso, tipos completamente novos de processadores estão sendo desenvolvidos, como NPUs, para neurocomputação.