Mikrochipy są tak wszechobecne, że większość ludzi postrzega je niczym coś równie zwykłego, jak łyżka czy kubek. Mało kto zastanawia się nad tym, że coś tak prozaicznego, jak termostat czy śpiewająca kartka z życzeniami zawiera miliony mikroskopijnych struktur stworzonych w jednym z najbardziej niezwykłych procesów produkcyjnych, jakie kiedykolwiek powstały. Chociaż zakładam, że o produkcji kubków także można opowiedzieć wiele fascynujących rzeczy. Dlatego warto opisać, chociaż w dużym skrócie jak cały ten proces przebiega. W końcu to właśnie dzięki niemu mamy nasze smartfony i komputery.
Ekstremalna litografia ultrafioletowa
Obecny proces ewoluuje od około 1977 roku. Lasery prześwietlają światło przez matrycę, która jest wzorem dla układu scalonego. Utwardza ono światłoczułe chemikalia, które tworzą wzór na płytce. Rezultat jest prawie jak naświetlanie zdjęcia: Światło przenosi obraz chipu na krzem. Następnie jest on wytrawiany, poza obszarami chronionymi przez skorupę z wyżej wymienionych chemikaliów. W podobny sposób wytrawia się również laminaty, czyli te płytki, na których są umieszczane elementy elektroniczne. Chociaż w ich przypadku do zastosowań amatorskich wystarczy akwarium, kwas i lakier do paznokci, oraz oczywiście laminat.
Zobacz też: Realme dodaje reklamy i… informację, jak je wyłączyć
Wróćmy jednak do układów chipów. Proces ten nazywany jest fotolitografią, a wraz ze wzrostem jego zaawansowania, tranzystory stały się mniejsze, szybsze i bardziej energooszczędne. Dodatkowo wydajność samego procesu także znacznie wzrosła. W jego początkach mniej niż 30% układów nadawało się do dalszego wykorzystania. Obecnie odrzutów jest znacznie mniej. To oczywiście niezwykle skrócony i uproszczony opis. Specyficzna mechanika wytwarzania chipa jest już szalenie skomplikowana, wymaga dokładności w skali atomowej i jednych z najbardziej precyzyjnych narzędzi produkcyjnych, jakie kiedykolwiek powstały. Ma ona też swoje granice. Części tranzystorów ma rozmiary od 7 do 10 nanometrów, znacznie mniejsze niż długość fali światła UV (193 nm) używanego do ich wytworzenia.
Nowa technologia EUV
Producenci musieli przeprojektować ten proces. Wciąż możliwe byłoby stworzenie układów o mniejszych tranzystorach, jednak jego efektywność byłaby zauważalnie niższa. Nowym procesem jest ekstremalna litografia ultrafioletowa, czyli EUV. Firmy od lat pracują nad rozwojem tego kolejnego kroku w produkcji układów scalonych, a my właśnie widzimy pierwsze urządzenia wyprodukowane z wykorzystaniem EUV, które wchodzą na rynek. Różnica natomiast jest olbrzymia. Okazuje się bowiem, że efektywność produkcyjna w procesie 5 nm EUV od TSMC jest znacznie wyższa, niż przy użyciu standardowej metody przy procesie 7 nm. I to pomimo że tajwański gigant wciąż nie zakończył prac nad nową technologią. Warto jednak powiedzieć, na czym to polega. Tak naprawdę w założeniach nie różni się od poprzednika, z tą różnicą, że wykorzystywane jest promieniowanie UV o znacznie mniejszej długości fali. Stąd też rozwinięcie tego skrótu: Extreme ultraviolet lithography. Dla przypomnienia: stosowana powszechnie technologia wykorzystuje światło o długości fali 193 nm do wytwarzania tranzystorów o kilkadziesiąt razy mniejszym rozmiarze. Natomiast EUV wykorzystuje światło o długości fali zaledwie 13,5 nm.
Problemy z EUV
Różnica ta jest jednak okupiona poważnym problemem. Otóż nie można w tym przypadku skorzystać z klasycznej diody laserowej, która nie jest w stanie wyemitować takiej fali. Wykorzystuje się więc jako źródło promieniowania plazmę powstałą na skutek ogrzania cyny laserem. Mamy tu jednak poważne straty, ponieważ optyka tego źródła promieniowania pochłania niemal 96% całego światła. Wynika to z faktu, że im fale są dłuższe, tym lepiej przechodzą przez konkretne obiekty. I tak szyba, która jest przezroczysta dla promieniowania widzialnego i wszelkich fal dłuższych, jest niemal niczym ściana dla większości zakresu promieniowania UV. Natomiast promieniowanie wykorzystywane przy technologii EUV to dolna granica ultrafioletu. Z tego powodu sprawność energetyczna takiego źródła to zaledwie 4%.
Potencjał EUV
Mimo to cały proces i tak jest znacznie bardziej opłacalny od starszej metody. Tak naprawdę nie wiadomo jeszcze, jakie są jej granice. Nie należy jednak przeliczać tego wedle proporcji. To, że fale o długości 193 nm pozwalają na produkcję układów 7 nm, czyli mniejszych od długości tej fali świetlnej niemal 28 razy nie oznacza, że EUV pozwoli na produkcję układów z tranzystorami tyle samo razy mniejszymi. Wynika to z tego, że pojedynczy atom krzemu ma średnicę 0,11 nm, a potrzeba ich znacznie więcej do budowy tranzystora. Zwłaszcza że zawsze mamy do czynienia z domieszkami. Wiadomo już, że TSMC pracuje nad procesem 2 nm, jednak nie wiadomo, ile jeszcze będzie się dało zejść przy produkcji układów. Obawiam się, że w ciągu dziesięciu lat osiągniemy już limit, jeśli chodzi o potencjał krzemu. Z drugiej strony takie głosy pojawiały się już w dobre kilkanaście lat temu, a mimo to rozwój się nie zatrzymał. Mam więc nadzieję, że się mylę. Oczywiście, jeszcze raz podkreślam, że cały powyższy opis to naprawdę mocne uproszczenie. I to zarówno pod względem praw fizyki, jak i procesów technologicznych. Nie jest możliwe dokładne przedstawienie tak złożonych kwestii w tak krótkim tekście.