7 nm

22, 14, 12, 10, 7 nm…

Fot. Piotr Sokołowski
Stale mówi się o najnowszych 7 nm układach scalonych. Dlaczego producenci krok po kroku zmniejszają skalę? I co ma z tym wspólnego Polak, Jan Czochralski? Zapraszamy do fascynującego świata nanometrów.

7 nm – tak niewyobrażalnie mała odległość zawładnęła ostatnimi czasy umysłami pasjonatów nowoczesnych technologii. Głównie za sprawą pojawiających się na rynku układów wykonanych właśnie w 7-nanometrowym procesie technologicznym. Chwali się Huawei (chip Kirin 980), chwali się AMD (chip Vega 20, serce akceleratorów obliczeniowych Radeon Instinct, modeli MI60 i MI50 oraz serwerowe rdzenie AMD Zen 2 Rome, czyli Epyc 2 generacji), nie bardzo pochwalić się może Intel, który wciąż ma problem z przejściem na 10 nanometrów. Ach, te emocje, litografia, rdzenie, wydajność, energooszczędność…

Ale tak z ręką na sercu, ile osób wie, o co tak naprawdę chodzi? Jak właściwie powstają nowoczesne układy obliczeniowe? Czym jest ta tajemnicza litografia? Bo zakładam, że odpowiedź w stylu: „rozmiar produkcyjny” – nikogo nie usatysfakcjonuje. Zresztą jest ona co najmniej niepełna, a mimo to powielana przez liczne źródła w sieci i przez technologicznych gigantów. O co zatem chodzi z 7 nanometrami? Musimy zacząć od przypomnienia, jak w ogóle powstaje procesor.

W nanoskali toczy się ciekawa rywalizacja producentów CPU

Piachem po oczach, czyli jak powstaje chip

Wszystkie komercyjne układy scalone od dziesiątek lat wykonane są… z piachu. Tak, to nie żart. To co nazywamy potocznie piaskiem, to – najczęściej – tzw. krzemionka, czyli, mówiąc bardziej naukowo: dwutlenek krzemu (SiO2), nieorganiczny związek chemiczny z grupy tlenków. Najczęstszą postacią SiO2 jest kwarc, a ten występuje w przyrodzie przede wszystkim w postaci ziaren piasku. Krzemionka jest bardzo rozpowszechnionym związkiem na naszej planecie. Ocenia się, że w miarę czyste jej postacie (czyli piasek i piaskowce) stanowią, zależnie od oszacowań, od 12 do 27% masy całej skorupy ziemskiej. Sam krzem z kolei jest drugim po tlenie najczęściej występującym pierwiastkiem w wierzchniej warstwie naszej planety. Jednak to nie częstość występowania przyczyniła się do wykorzystania krzemu w układach scalonych, lecz fizyczne właściwości tego pierwiastka w roli bardzo elastycznego półprzewodnika, co oznacza, że w pewnych warunkach może on być świetnym przewodnikiem oraz znakomitym izolatorem. Krzem charakteryzuje się tym, że tworzy struktury krystaliczne, co wynika bezpośrednio z budowy atomu tego pierwiastka. Ma na powłoce walencyjnej 4 elektrony, a to pozwala tworzyć zarówno struktury monokrystaliczne (krzem-krzem), jak i liczne związki (np. krzem-tlen-krzem czy krzem-azot-krzem).

Monokryształ krzemu
Monokryształ krzemu wytworzony metodą Czochralskiego (fot. Wikimedia)

Do produkcji układów scalonych potrzebujemy krzemu monokrystalicznego. Metodę otrzymywania krzemu w takiej formie zawdzięczamy polskiemu chemikowi, Janowi Czochralskiemu, który już w 1916 roku opracował stosowaną powszechnie do dziś technikę pozyskiwania monokryształów krzemu, a także wielu innych półmetali, metali i ich stopów. Metoda ta – w przypadku krzemu – polega na stopieniu krzemionki w piecu indukcyjnym, a następnie powolnym wyciąganiu monokrystalicznego zarodka z naczynia, przy zachowaniu ruchu obrotowego pomiędzy naczyniem a tworzącym się w ten sposób monokryształem. W zależności od szybkości wyciągania zarodka i prędkości obrotowej naczynia otrzymujemy różną średnicę cylindrycznego monokryształu.

[Jan Czochralski (1885-1953) w gabinecie na Politechnice Warszawskiej, fot. janczochralski.com]

Teoretycznie można utworzyć monokrystaliczny walec o dowolnej średnicy, w praktyce jednak nie ma to sensu. Dlaczego? Bo w przypadku produkcji układów scalonych bardzo istotna jest czystość chemiczna monokryształu krzemowego, na poziomie 99,9999% czystego krzemu. Wytwarzanie bardzo dużych (o bardzo dużej średnicy) walców monokrystalicznych przy wymaganej czystości materiału jest po prostu trudne. Jak z utworzonego, cylindrycznego bloku monokryształu powstaje tzw. wafel krzemowy stanowiący podłoże układów elektronicznych? Spójrzcie na ilustrację.

Produkcja procesorów
Mamy monokryształ? Czas zatem na precyzyjne cięcie (graf. Intel)

Cylindryczny monokryształ jest bardzo precyzyjnie cięty na krążki diamentowym ostrzem. Krążki to początek krzemowego wafla. Dziś w elektronice stosuje się wafle o średnicach od 100 do 300 mm. Co prawda już jakiś czas temu Intel zapowiadał użycie wafli o średnicy nawet 450 mm, ale podobna technologia realnie ma wejść dopiero po roku 2023. Dlaczego średnica ma znaczenie? To proste, im większa powierzchnia pojedynczego wafla krzemowego, tym niższe stają się koszty jednostkowe produkcji danego układu. Jednak, jak wspomniałem, większy rozmiar stanowi też dużo większe wyzwanie, jeżeli chodzi o zachowanie właściwej czystości materiału.

Reklama

Diamentowy „tartak” jest dość precyzyjny. 300-milimetrowe krzemowe wafle mają grubość 775 mikrometrów, czyli mniej więcej 0,8 mm. Oczywiście w przemyśle elektronicznym wykorzystuje się różne rozmiary wafli krzemowych, zależnie od zastosowań. Podany wymiar dotyczy tych, których dalszym przeznaczeniem są procesory. Jako ciekawostkę warto zaznaczyć, że cięte monokryształy krzemowe stanowią również podstawę paneli fotowoltaicznych. Te jednak bazują na waflach o nieco innym kształcie, cieńszych i o mniejszej powierzchni. W każdym razie ucięty plaster krzemu jest poddawany kwasowej obróbce w celu usunięcia ewentualnych nieczystości powstałych w trakcie cięcia, a także, w zależności od dalszych zastosowań, jest polerowany (na potrzeby produkcji układów scalonych) lub teksturowany (na potrzeby paneli fotowoltaicznych). Oczywiście nas interesuje pierwsze zastosowanie.

Gotowe do dalszej obróbki wypolerowane i idealnie czyste wafle (99,9999% krzemu) trafiają do poszczególnych fabryk (np. Intela, Samsunga, GlobalFoundries czy TSMC) zajmujących się już produkcją konkretnych układów scalonych.

Czas na fotolitografię

Czym jest litografia? To termin odnoszący się do jednej z technik druku płaskiego, który sam w sobie nie ma nic wspólnego z elektroniką. Chodzi jednak o metodę przeniesienia rysunku, dosłownie stanowiącego szkic architektury budowanego układu. W klasycznej litografii rysunek/tekst, który chcemy powielić, wykonuje się na tzw. kamieniu litograficznym. Następnie powierzchnia takiego kamienia jest traktowana słabym kwasem. Miejsca niewytrawione przyjmą tusz, miejsca wytrawione – nie. Oznaczanie miejsc na waflach krzemowych odbywa się podobnie, z tym że proces przebiega z niewyobrażalnie większą precyzją, a zamiast rylca litograficznego używa się promieni laserowych, dlatego też właściwszą nazwą interesującego nas procesu jest: fotolitografia.

Fotolitografia
Fotolitografia, czyli oznaczanie krzemu (graf. Intel)

Co dalej dzieje się z waflami krzemowymi? Gdy trafią do fabryki procesorów, są najpierw pokrywane specjalną emulsją światłoczułą, a następnie precyzyjnie naświetlane po to, aby – analogicznie do klasycznej litografii – na powierzchnię wafla nanieść oczekiwany rysunek: strukturę przyszłych układów scalonych.

W procesach fotolitograficznych korzysta się z laserów argonowych emitujących promienie elektromagnetyczne o długości 193 nm. Jak być może pamiętacie z lekcji fizyki, światło widzialne to zakres fal elektromagnetycznych o długościach od 380 do 750 nm (w takim zakresie ludzkie oko postrzega falę elektromagnetyczną jako światło). Łatwo zauważyć, że stosowane w procesie fotolitograficznym lasery to już zakres ultrafioletu. Celem jest oczywiście uzyskanie jak najbardziej precyzyjnego „rysunku” przyszłego układu na krzemie. 193 nm, czyli długość fali lasera naświetlającego, wpływająca na rozdzielczość „rysunku” naszkicowanego na krzemie, jest jednak zbyt duża, aby myśleć o bezpośrednim „drukowaniu” obrazka układu na waflu. Nawet przy zastosowaniu układów optycznych maksymalna rozdzielczość, czy może raczej najmniejsza jednostka w szkicowanym bezpośrednio takim laserem układzie, ma wymiar 105 nm. Znacznie więcej od interesujących nas 7 nm. Jak wobec tego uzyskać precyzyjniejszy „nadruk” na waflu?

Sprawa wydaje się prosta – wystarczy użyć światła o mniejszej długości fali. Teoretycznie tak, tyle że im mniejsza długość fali (czyli większa częstotliwość), tym energia fotonu jest większa. To w praktyce oznacza, że zbudowanie stosownego lasera emitującego promienie o długości już na pograniczu ultrafioletu i promieniowania rentgenowskiego jest niezwykle trudne. Taki laser do zasilania wymaga olbrzymiej mocy. Od wielu lat wielcy branży półprzewodnikowej pracują nad technologią określaną jako EUV lub EUVL (Extreme UltraViolet Litography), w której przewiduje się użycie fal o długości 13,5 nm, ale prognozowane i niekoniecznie pewne pojawienie się rozwiązania, które będzie można wprowadzić na skalę przemysłową, to najwcześniej 2020 rok. Dla porównania, używane dziś lasery argonowe (dokładniej chodzi o fluorek argonu), przy mocy wyjściowej rzędu 90 W wymagają dostarczenia zasilania elektrycznego o mocy 50 kW. Tymczasem moc potrzebna w przypadku użycia lasera EUV przekracza pół megawata! Do tego dochodzą jeszcze problemy z chłodzeniem. Aktualne systemy chłodzenia stosowane w fotolitografii potrzebują niecałych 100 litrów wody na minutę. Szacuje się, że przy EUV będzie niezbędne ponad 1500 litrów wody. To oznacza, że EUV nie naświetli tylu wafli co laser argonowy – w tym samym czasie. A czas to pieniądz. Wobec dużo wyższych kosztów i gorszej efektywności nie dziwi, że EUV to ciągle pieśń przyszłości.


Na drugiej stronie piszemy o „trikach” stosowanych do budowy coraz mniejszych układów.

Close

Choć staramy się je ograniczać, wykorzystujemy mechanizmy takie jak ciasteczka, które pozwalają naszym partnerom na śledzenie Twojego zachowania w sieci. Dowiedz się więcej.