fbpx

Каталог статей

Каталог статей для размещения статей информационного характера

Технології

Акванавти спускається на глибину, недоступну атомним підводним човнам

Ви коли-небудь замислювалися, як одна і та ж компанія може 23 роки поспіль лідирувати на ринку мікропроцесорів? Або чому протягом тих же двох десятків років ми, купуючи комп’ютер для дому або офісу, вибираємо між процесорами всього двох марок (за рідкісними винятками), незважаючи на антимонопольне законодавство і конкуренцію?
Виробництво мікросхем – дуже непроста справа, і закритість цього ринку диктується в першу чергу особливостями головуючої в наші дні технології фотолітографії. Мікроскопічні електронні схеми проектуються на кремнієву пластину через фотошаблони, вартість кожного з яких може досягати $200000. А між тим для виготовлення одного чіпа потрібно не менше 50 таких масок. Додайте до цього вартість «проб і помилок» при розробці нових моделей, і ви зрозумієте, що виробляти процесори можуть тільки дуже великі компанії дуже великими тиражами.
А що робити науковим лабораторіям і високотехнологічним стартапам, яким необхідні нестандартні схеми? Як бути військовим, для яких закуповувати процесори у «ймовірного супротивника» – м’яко кажучи, не комільфо?
ТРАНЗИСТОРНИЙ ЛІКНЕП
Такі речовини, як кремній або германій, мають по чотири електрони на зовнішньому енергетичному рівні. Вони утворюють красиві кристали, схожі на метал. Але, на відміну від металу, що вони не проводять електричний струм: усі електрони задіяні в потужних ковалентних зв’язках і не можуть рухатися. Проте все змінюється, якщо додати до них трохи донорної домішки з речовини з п’ятьма електронів на зовнішньому рівні [фосфору або миш’яку). Чотири електрона вступають у зв’язок з кремнієм, а один залишається вільним. Кремній з донорною домішкою (р-типу) – непоганий провідник. Якщо додати до кремнію акцепторную домішка з речовини з трьома електронів на зовнішньому рівні Збір, індій), аналогічним чином утворюються «дірки», віртуальний аналог позитивного заряду. В такому випадку мова йде про напівпровіднику р-типу.
Поєднавши провідники р – і п-типу, ми отримаємо діод – напівпровідниковий прилад, що пропускає струм тільки в одному напрямку. Комбінація р-п-р або п-р-п дає нам транзистор – через нього струм протікає тільки в тому випадку, якщо на центральний провідник подається певна напруга.
Ми побували на російському виробничому ділянці голландської компанії Mapper, завдяки якій виготовлення мікросхем може перестати бути долею небожителів і перетвориться в заняття для простих смертних. Ну або майже простих. Тут, на території Технополісу «Москва» за фінансової підтримки корпорації «Роснано» проводиться ключовий компонент технології Mapper – електронно-оптична система.
Однак перш ніж розбиратися в нюансах безмасочной літографії Mapper, варто пригадати основи звичайної фотолітографії.
Як сьогодні роблять процесори
Ідеально відполіровану круглу кремнієву пластину діаметром 30 см покривають тонким шаром фоторезисту. Рівномірно розподілити фоторезист допомагає відцентрова сила.
Майбутня схема експонується на фоторезист через маску. Цей процес повторюється багаторазово, тому що з однієї пластини виходить безліч чіпів.
Та частина фоторезисту, яка зазнала ультрафіолетового випромінювання, стає розчинної і легко видаляється з допомогою хімікатів.
На сучасному процесорі Intel Core i7 може розташовуватися близько 2 млрд транзисторів (залежно від моделі), розмір кожного з яких – 14 нм. У гонитві за обчислювальною потужністю виробники щорічно зменшують розміри транзисторів і збільшують їх кількість. Ймовірним технологічним межею в цій гонці можна вважати 5 нм: на таких відстанях починають проявлятися квантові ефекти, з-за яких електрони в сусідніх комірках можуть вести себе непередбачувано.
Щоб нанести на кремнієву пластину мікроскопічні напівпровідникові структури, використовують процес, схожий на роботу з фотоувеличителем. Хіба що мета у нього зворотна – зробити зображення як можна менше. Пластину (або захисну плівку) покривають фоторезистом – полімерним фоточутливим матеріалом, який змінює свої властивості при опроміненні світлом. Необхідний малюнок чіпа експонують на фоторезист через маску і збирає лінзу. Надруковані пластини, як правило, в чотири рази менше, ніж маски.
Свої корективи в цей процес вносить дифракція світла: промінь, проходячи через отвори маски, трохи заломлюється, і замість однієї точки експонується серія концентричних кіл, як від кинутого у вир каменю. На щастя, дифракція знаходиться у зворотній залежності від довжини хвилі, чим і користуються інженери, застосовуючи світло ультрафіолетового діапазону з довжиною хвилі 195 нм. Чому не ще менше? Просто більш коротка хвиля не буде переломлюватися збирає лінзою, промені будуть проходити наскрізь, не фокусуючись. Збільшити збирає здатність лінзи теж не можна – не дозволить сферична аберація: кожен промінь буде проходити оптичну вісь у своїй точці, порушуючи фокусування.
Максимальна ширина контуру, яку можна відобразити за допомогою фотолітографії, – 70 нм. Чіпи з більш високою роздільною здатністю друкують в кілька прийомів: наносять 70-нанометрові контури, протруюють схему, а потім експонують наступну частину через нову маску.
Зараз в розробці знаходиться технологія фотолітографії в глибокому ультрафіолеті, із застосуванням світла з екстремальною довжиною хвилі близько
13,5 нм. Технологія передбачає використання вакууму і багатошарових дзеркал з відображенням на основі міжшарової інтерференції. Маска теж буде не просвічує, а відображаючим елементом. Дзеркала позбавлені явища заломлення, тому можуть працювати зі світлом будь-якої довжини хвилі. Але поки що це лише концепція, яку, можливо, стануть застосовувати в майбутньому.
Альтернативою фотолітографії вважають электролитографию, коли експонують не світлом, а електронами і не фото, а электрорезист. Електронний пучок легко фокусується в точку мінімального розміру, аж до 1 нм. Технологія нагадує электроннолучевую трубку телевізора: сфокусований потік електронів відхиляється керуючими котушками, малюючи зображення на кремнієвій пластині.
До останнього часу ця технологія не могла конкурувати з традиційним методом з-за низької швидкості. Щоб электрорезист среагировална опромінення, він повинен прийняти певну кількість електронів на одиницю площі, з цього один промінь може експонувати в кращому випадку 1 кв. см/год. Це прийнятно для одиничних замовлень від лабораторій, проте застосовується в промисловості.
На жаль, вирішити проблему, збільшивши енергію променя, неможливо: однойменні заряди відштовхуються, тому при збільшенні струму пучок електронів стає ширше. Зате можна збільшити кількість променів, експонуючи кілька зон одночасно. І якщо кілька – це 13 000, як в технології Mapper, то, згідно з розрахунками, можна друкувати вже десять повноцінних чіпів в годину.
Звичайно, об’єднати в одному пристрої 13 000 електронно-променевих трубок було б неможливо. У разі Mapper випромінювання джерела спрямовується на коллиматорную лінзу, що формує широкий паралельний пучок електронів. На його шляху встає апертурна матриця, яка перетворює його в 13 000 окремих променів. Промені проходять через матрицю бланкеров – кремнієву пластину з 13 000 отворів. Біля кожного з них розташовується відхиляє електрод. Якщо на нього подається струм, електрони «хиблять» повз свого отвори, і один з 13 000 променів вимикається.
Пройшовши бланкеры, промені направляються до матриці дефлекторів, кожен з яких може відхиляти
свій промінь на кілька мікронів вправо або вліво щодо руху пластини (так що Mapper все ж нагадує 13 000 кінескопів). Нарешті, кожен промінь додатково фокусується власної микролинзой, після чого направляється до электрорезисту.
На сьогоднішній день технологія Mapper пройшла тестування у французькому науково-дослідник-ському інституті мікроелектроніки CEA-Leti і в компанії TSMC, яка виробляє мікропроцесори для провідних гравців ринку (в тому числі і для Apple iPhone 6S). Ключові компоненти системи, включаючи кремнієві електронні лінзи, виробляються на московському заводі.
Технологія Mapper обіцяє нові перспективи не тільки дослідним лабораторіям і дрібносерійним (у тому числі військових) виробництвам, але і великим гравцям. В даний час для тестування прототипів нових процесорів доводиться виготовляти точно такі ж фотошаблони, як для масового виробництва. Можливість відносно швидкого прототипування схем обіцяє не тільки знизити вартість розробки, але і прискорити прогрес в цій області. Що в кінцевому рахунку на руку масовому споживачеві електроніки, тобто всім нам.
За матеріалами: Популярна механіка

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *