هذه بذرة لك - ليزر بقدرة 30 كيلو وات في فراغ يطلق قطرة من القصدير ويحولها إلى بلازما - هل هذا رائع؟
وسنكتشف كيف يعمل ونخبرك عن شركة واحدة من أوروبا ، والتي تقف كظل وراء كل الشركات العملاقة Apple و AMD و Intel و Qualcomm و Samsung وغيرها ، وبدونها لن تكون هناك معالجات جديدة. ولا ، للأسف ، هذا ليس مصنع تشيبوكساري للإلكترونيات.
لفهم عملية الطباعة الحجرية فوق البنفسجية الشديدة ، نحتاج أولاً إلى فهم ماهية الليثوغرافيا الضوئية. العملية نفسها تشبه إلى حد بعيد كيفية طباعة الصور الفوتوغرافية من الأفلام السلبية على ورق التصوير! لا تصدقني - الآن سنشرح كل شيء.
الليثوغرافيا
لنبدأ بمثال بسيط - خذ زجاجًا شفافًا وقم بتطبيق نوع من الأنماط الهندسية عليه ، مع ترك بعض المناطق بدون طلاء. في الأساس ، سنقوم بعمل استنسل. قم بتوصيل قطعة الزجاج هذه بالمصباح اليدوي وقم بتشغيله. سنحصل بالضبط على نفس نمط الظل الذي طبقناه على قطعة الزجاج. في تصنيع المعالجات ، تسمى قطعة الزجاج المنقوشة هذه قناعًا. يسمح لك القناع بالحصول على سطح أي مادة "معرضة بشكل مفرط وغير معرض للضوء" بأي شكل مسطح.
حسنًا - حصلنا على رسم على السطح ، لكنه مجرد ظل. الآن نحن بحاجة إلى حفظه هناك بطريقة ما. لهذا الغرض ، يتم تطبيق طبقة خاصة حساسة للضوء على سطح رقاقة السيليكون ، والتي تسمى مقاوم الضوء. من أجل التبسيط ، لن نتحدث هنا عن مقاومات الضوء الإيجابية والسلبية ، لماذا يتفاعلون بهذه الطريقة ، بعد كل شيء ، نحن لسنا في درس الكيمياء الفيزيائية. دعنا نقول فقط أن هذه مادة تغير خصائصها عندما يضربها الضوء بتردد معين ، أي عند طول موجي معين. مرة أخرى ، تمامًا مثل فيلم التصوير الفوتوغرافي أو ورق التصوير الفوتوغرافي - تتفاعل طبقات خاصة من المواد مع الضوء!
بعد أن نضيء المناطق التي نحتاجها على السيليكون ، يمكننا إزالتها ، مع ترك الباقي ، أي المناطق غير المضيئة ، في مكانها. نتيجة لذلك ، حصلنا على الرسم الذي أردناه. هذه طباعة حجرية ضوئية!
بالطبع ، بالإضافة إلى الطباعة الحجرية الضوئية ، هناك عمليات أخرى تشارك في إنتاج المعالجات ، مثل النقش والترسيب ، في الواقع ، من خلال الجمع بين هذه العمليات مع الليثوغرافيا الضوئية ، فإن الترانزستورات ، كما كانت ، تُطبع طبقة تلو طبقة على السيليكون.
هذه التكنولوجيا ليست جديدة ، فجميع المعالجات تقريبًا منذ الستينيات يتم إنتاجها باستخدام الطباعة الحجرية الضوئية. كانت هذه التكنولوجيا هي التي فتحت عالم الترانزستورات ذات التأثير الميداني والطريق إلى جميع الإلكترونيات الدقيقة الحديثة.
لكن القفزة الكبيرة حقًا إلى الأمام في هذا المجال حدثت مؤخرًا فقط! مع الانتقال إلى EUV. وكل ذلك بسبب الطول الموجي 13.5 نانومتر. لا تقلق ، سأشرح الآن! الطول الموجي الذي يضيء عنده "مصباحنا" هو عامل مهم للغاية. هي التي تحدد مدى صغر العناصر الموجودة على البلورة. القاعدة بسيطة بقدر الإمكان: الطول الموجي الأقل يعني المزيد من الدقة وتقنية المعالجة الأقل! انتبه للصورة. تم تصنيع جميع المعالجات على الإطلاق من أوائل التسعينيات إلى عام 2019 باستخدام عملية الطباعة الحجرية بالأشعة فوق البنفسجية العميقة ، أو الطباعة الحجرية DUV. هذا ما كان عليه قبل Extreme.
كان يعتمد على استخدام ليزر الأرجون الفلورايد الذي ينبعث منه الضوء بطول موجة يبلغ 193 نانومتر. يقع هذا الضوء في منطقة الأشعة فوق البنفسجية العميقة - ومن هنا جاءت التسمية.
يمر عبر نظام العدسة ، والقناع ، وعلى الكريستال المطلي بمقاوم الضوء ، مما يخلق النمط المطلوب. لكن هذه التكنولوجيا كانت لها أيضًا قيودها ، مرتبطة بالقوانين الأساسية للفيزياء. ما هو الحد الأدنى من العملية التقنية الممكنة؟ ننظر إلى الصيغة (فقط لا تنزعج):
هنا Lambda هو طولنا الموجي ، و CD هو بعد حرج ، أي الحجم الأدنى للبنية الناتجة. بمعنى أنه باستخدام الطباعة الحجرية "القديمة" من DUV ، يمكن الحصول على هياكل لا تقل عن 50 نانومتر. لكن كيف يمكنك أن تسأل هذا؟ بعد كل شيء ، قام المصنعون بعمل كل من 14 و 10 نانومتر ، وبعضها حتى 7 نانومتر باستخدام الطباعة الحجرية DUV.
ذهبوا للحيل. بدلاً من وهج واحد من خلال قناع واحد ، بدأوا في استخدام عدة أقنعة ، بأنماط مختلفة تكمل بعضها البعض. هذه العملية تسمى التعرض المتعدد . دعنا نسمي هذا مبدأ الفطيرة! نعم - تجاوز المصنعون القيود المادية المباشرة ، لكن الفيزياء لم تخدع!
ظهرت مشكلة خطيرة: هذه الخطوات الإضافية جعلت إنتاج كل شريحة أغلى بكثير ، بسببها ، زاد عدد المرفوضين ، وهناك مشاكل أخرى.
أي ، من الناحية النظرية ، يمكنك الاستمرار في العمل مع التكنولوجيا القديمة واللعب بالأقنعة والتعرض (التعرض المزدوج ، الثلاثي ، الرباعي) ، تقليل الحجم أكثر ، ولكن هذا سيجعل العملية ذهبية. في الواقع ، مع كل طبقة ، تزداد نسبة الرفض أعلى وأعلى ، ويتراكم الخطأ!
أي يمكننا القول أن DUV طريق مسدود! ماذا تفعل بعد ذلك ، كيف تقلل؟
وهنا تأتي التكنولوجيا الرائعة والرهيبة للطباعة الحجرية للأشعة فوق البنفسجية المتطرفة ، أو الطباعة الحجرية EUV!
انظر إلى الصورة - إنها توضح تمامًا الفرق بين التقنيتين. تم الحصول على كلاهما باستخدام تقنية معالجة 7 نانومتر ، ولكن تم الحصول على التقنية الموجودة على اليسار باستخدام الطباعة الحجرية DUV وبالحيل ذاتها التي تحدثنا عنها - التعرض الثلاثي ، أي مع الاستخدام التدريجي لثلاثة أقنعة مختلفة. على اليمين توجد تقنية الطباعة الحجرية EUV عند 13.5 نانومتر ، باستخدام قناع واحد - الفرق واضح - الحدود أوضح بكثير ، وتحكم أفضل في الهندسة ، والعملية نفسها أسرع بكثير ، ونسبة الرفض أقل ، أي أنها في النهاية أرخص. هذا هو الطريق إلى مستقبل مشرق ، فلماذا لا نفعل ذلك على الفور ، ما هي المشكلة؟
كيف تعمل الطباعة الحجرية EUV
الشيء هو أنه على الرغم من أن EUV هو نفس الطباعة الحجرية ، إلا أن كل شيء داخل التفاصيل أكثر تعقيدًا ، وهنا واجه العلماء والمهندسون مشاكل جديدة!
بدأ تطوير تقنية الطباعة الحجرية للأشعة فوق البنفسجية نفسها في بداية العقد الأول من القرن الحادي والعشرين. يستخدم مصدرًا يصدر ضوءًا بطول موجة يبلغ 13.5 نانومتر - أي عند الطرف السفلي من طيف الأشعة فوق البنفسجية ، بالقرب من الأشعة السينية!
من الناحية النظرية ، يمكن استخدام هذه الطريقة لإنشاء هياكل ذات أبعاد حرجة بالفعل - صغيرة جدًا لدرجة أن أكثر من ذلك بقليل ستتوقف قوانين الفيزياء العادية عن العمل عليها. أي بعد 5 نانومتر نجد أنفسنا في عالم الكم! لكن حتى هذه المشكلة تم حلها في الوقت الحالي. هناك مصدر - خذها ، واجعل نفسك معالجات صغيرة بشكل تعسفي.
الأمر ليس بهذه البساطة على الإطلاق!
تكمن مشكلة هذه الأطوال الموجية القصيرة في أنها تمتصها جميع المواد تقريبًا ، لذا فإن العدسات التقليدية لم تعد مناسبة في السابق. ماذا أفعل؟
للتحكم في هذا الضوء ، تقرر إنشاء عدسات عاكسة خاصة. ويجب أن تكون هذه العدسات ناعمة! ناعمة جدا !!! تقريبا سلس تماما!
إليكم تشبيهًا - دعنا نمد العدسة إلى حجم ألمانيا على سبيل المثال ، لذا يجب أن يكون سطحها أملسًا بحيث لا يبرز أي شيء أكثر من 1 ملليمتر. تسمى هذه المعلمة خشونة العدسة ويجب أن تكون المعلمة التي نحتاجها أقل من 0.5 نانومتر. هذا بالفعل قريب من حجم ATOM! من يستطيع حذاء برغوث؟
بالطبع ، زايس - هم فقط من يستطيعون فعل ذلك! نعم - كانت شركة Zeiss نفسها ، التي توجد عدساتها على الكاميرا الخاصة بي ، موجودة في Nokia أو في الهواتف الرائدة في Sony Xperia. تم حل مشكلة واحدة - هناك عدسات! هناك ثانية - هذا الضوء منتشر حتى في الهواء العادي. لذلك ، لكي تسير العملية بشكل طبيعي ، يجب أن تتم في فراغ! عادة ما ألتزم الصمت بشأن جزيئات الغبار والأوساخ - من الواضح أنه لا ينبغي أن تكون موجودة على الإطلاق. الغرف النظيفة في مثل هذا الإنتاج هي أنظف بكثير من غرف العمليات في المستشفيات! يمشي الناس حرفيا في بدلات الفضاء. يمكن لأي ، حتى أصغر جزيئات الأوساخ أو الجلد أو الهواء ، تدمير القناع والمرايا!
وماذا عن المصدر؟ فقط ضع ليزرًا خاصًا بطول موجي أقصر وهذا كل شيء؟ تكمن المشكلة في أنه لا المصابيح ولا أشعة الليزر ولا أي مصادر ضوء عادية أخرى تنبعث على هذا الطول الموجي ببساطة غير موجودة في الطبيعة.
وكيف إذن تحصل على الإشعاع المطلوب؟ الابتدائية ، واتسون - نحن بحاجة إلى البلازما.
من الضروري تسخين بخار القصدير إلى درجات حرارة أعلى 100 مرة من درجة حرارة سطح الشمس! مجرد! وهناك ما يقرب من عقدين من التطوير وراء ذلك.
في التثبيت لإنتاج المعالجات بواسطة الطباعة الحجرية EUV ، والتي سنتحدث عنها بشكل منفصل ، تم تركيب ليزر خاص بثاني أكسيد الكربون ، والذي يمكن إنتاجه جنبًا إلى جنب مع شركتين فقط في العالم - الشركة الألمانية Trumpf و American Cymer. هذا الوحش الذي يبلغ طوله 30 كيلووات يطلق نبضتين بتردد 50 كيلوهرتز.
يضرب الليزر قطرات القصدير ، في الواقع تتسطح الطلقة الأولى وتحول القطرة إلى فطيرة ، والتي تصبح هدفًا سهلاً للكرة الطائرة الثانية التي تشعلها. وهذا يحدث 50 ألف مرة في الثانية! وتصدر البلازما الناتجة هذا الضوء في طيف الأشعة فوق البنفسجية الشديد. وبالطبع ، هذا هو الأساس فقط ، لكننا حاولنا أن نرسم لك صورة لمدى صعوبة هذه العملية ورائعها.
الشركة وراء جميع المعالجات
تحدثوا عن التكنولوجيا ، فهذا يعني أن شخصًا ما اخترعها ونفذها ، ولكن تبين أن تطويرها كان مكلفًا للغاية لدرجة أنه حتى العمالقة والشخصيات الكبيرة غير قادرة على سحب مثل هذه الميزانيات!
في النهاية ، لكي يصبح هذا حقيقة واقعة ، كان على الجميع المشاركة - Intel في عام 2012 ، وشارك TSMC و Samsung في مشروع مشترك في مكان ما في عام 2015. وكان اجمالي الاستثمار حسب تقديرات مختلفة من 14 الى 21 مليار دولار! تم استثمار ما يقرب من 10 مليارات منها في شركة هولندية واحدة ASML. إنها وراء كل إنتاج المعالجات في العالم باستخدام طريقة الطباعة الحجرية EUV! نجاح باهر! ما هو ASML ولماذا لم نسمع به؟ شركة من هولندا - يا له من حصان أسود؟
الشيء هو أن ASML قد أنشأت الأداة نفسها التي بدونها Apple و Samsung و Intel مع AMD بدون أيدي! نحن نتحدث عن تثبيت تزيد قيمته عن 120 مليون دولار. إنه ضخم ، 180 طناً ، يستهلك قرابة 1 ميغاواط من الكهرباء ، ويحتاج إلى ما يقارب 1.5 طن من الماء في الدقيقة لتبريده! ولكن حتى بمثل هذا السعر ، ظلت طوابير الانتظار بالنسبة لهم قائمة منذ سنوات ، لأنه يتم إنتاج عشرات من هذه الآلات سنويًا. ومن الجدير بالذكر أيضًا المساهمة الكبيرة للعقول الروسية. على سبيل المثال ، أحد مبتكري هذه التقنية هو فاديم إفجينيفيتش بانين ، وهو الآن مدير التطوير في ASML. كما يعمل مواطنونا الآخرون في الشركة! اكتشفنا أن هذه الشركة تصنع واحدة من أكثر الأجهزة تقدمًا من الناحية التكنولوجية ، حيث يتم جمع كل معارف البشرية وجميع عمالقة تكنولوجيا المعلومات يقومون بإنتاج معالجات عليها مرة واحدة!
ولكن ليس فقط ASML يقف وراء ظهور عمالقة تكنولوجيا المعلومات المعروفين. تتكون منشآتها من أكثر من 100 ألف قطعة ، يتم تصنيعها من قبل أكثر من ألف شركة حول العالم. كل هذه الشركات مرتبطة ببعضها البعض!
مستقبل
لكن ماذا سيحدث بعد ذلك! هل تعتقد أننا سنتركك في يومنا هذا اليوم؟ لا - لقد اختلس النظر في المستقبل! حصلنا على معلومات حول ما سيحدث بعد خمسة أو حتى اثنين نانومتر!
أولاً ، في الوقت الحالي ، أثناء مشاهدة هذا الفيديو ، تقوم TSMC بالفعل بإنتاج معالجات جديدة لهواتف HUAWEI و Apple و Samsung باستخدام الطباعة الحجرية EUV ، ولكن ليس عند 7 نانومتر ، كما كان الحال مع Apple A13 و Kirin 990 ، ولكن في تقنية معالجة 5 نانومتر. ! وهناك أدلة كثيرة على ذلك! وسنسمع عنهم هذا الخريف. كيف تحب ذلك - ستكون شريحة A14 Bionic بحجم 5 نانومتر! ننتظر أيضًا معالجات 5nm Exynos و Google الجديدة ، والتي تحدثنا عنها بشكل منفصل! من المحتمل أن تتبعهم Qualcomm أيضًا ، لكن ليس لدينا هنا بيانات!
وثانيًا ، وهذا يفجر الدماغ بشكل عام ، فإن ASML تكمل بالفعل تطوير التركيبات التي ستجعل من الممكن إنتاج معالجات بتقنية معالجة 2 نانومتر ، وحتى أقل في 4-5 سنوات فقط!
لهذا الغرض ، قام الرجال من الشركة الهولندية ، إلى جانب شركة Zeiss الألمانية ، بتطوير عدسات عاكسة جديدة ذات قيم عالية للفتحة. هذه بصريات بصرية بصرية مشوهة - وأكثر من ذلك بكثير ، ستسمح لك بزيادة الدقة.
العملية نفسها هي في الأساس نفس EUV ، ولكن مع بادئة High-NA EUV. وستشغل الوحدات نفسها مساحة أكبر ، انظروا هكذا تُصنع البصريات لهم! هذا العام صعب على الجميع ، ولكن في نفس الوقت - انظر إلى الخطوات التي بدأت التقنيات في التطور أكثر وأكثر. نحن في انتظار معالجات جديدة بقدرات لم نحلم بها أبدًا.
بالإضافة إلى ذلك ، يتم تطوير أنواع جديدة تمامًا من المعالجات ، مثل NPUs ، للحوسبة العصبية.