P°i hledßnφ alternativ k°emφkov²ch Φip∙ si v²robci neradi nechßvajφ nahlφ₧et do karet a s oblibou odkazujφ na spoleΦnou "roadmap", kterß vede a₧ do roku 2018. AvÜak ve skuteΦnosti jsou u₧ v²vojß°i mnohem dßl. Chip zjiÜ¥oval, co "Intel & Co." opravdu plßnujφ.
S preciznostφ hodinovΘho stroje ₧ene polovodiΦov² pr∙mysl v²kon sv²ch procesor∙ v²Ü a v²Ü. Ty poΦφtajφ a uklßdajφ do pam∞ti p°i stßle rychlejÜφch pracovnφch frekvencφch - v roce 2010 bude dosa₧eno 10 GHz. Plßny vÜak jdou jeÜt∞ dßle: ve spoleΦnΘm v²vojovΘm "itinerß°i", kter² dnes sahß a₧ do roku 2018, si v²robci s a₧ ·zkostlivou p°esnostφ vymezili p°ekß₧ky, je₧ musφ b²t p°ekonßny, aby se zam²Ülen² v²konnostnφ p°φr∙stek dal realizovat. Ale firmy jsou samoz°ejm∞ o krok dßl, ne₧ otev°en∞ p°iznßvajφ. V tajn²ch plßnech Intelu a AMD je vpßd do nanosv∞ta zam²Ülen mnohem d°φve, ne₧ p°edpoklßdß ve°ejnosti p°φstupnß "roadmap". A IBM a Infineon (v²robce pam∞¥ov²ch, komunikaΦnφch a dalÜφch Φip∙) ve sv²ch laborato°φch ji₧ nynφ rozlouskly problΘmy, kterΘ jsou oficißln∞ pova₧ovßny za ne°eÜitelnΘ na jeÜt∞ dlouhß lΘta.
Odhad v²voje procesor∙ a trhu v tΘto oblasti zve°ejnil Gordon E. Moore velmi brzy: "Ka₧dΘ dva roky se zdvojnßsobφ poΦet tranzistor∙, kterΘ mohou b²t umφst∞ny na jednom Φipu," prorokoval spoluzakladatel Intelu u₧ v roce 1965. K neustßlΘmu r∙stu p°ispφvajφ hlavn∞ t°i slo₧ky: zlepÜovßnφ designu, v∞tÜφ plochy Φip∙ a litografickΘ postupy, kterΘ umo₧≥ujφ vytvß°et stßle menÜφ struktury. V roce 1975 pak Moore svou progn≤zu, znßmou dnes takΘ jako "Moor∙v zßkon", up°esnil: "Hustota obvod∙ polovodiΦovΘho prvku se zdvojnßsobuje ka₧d²ch osmnßct m∞sφc∙."
V∞tÜina mikroprocesor∙ se dnes vyrßbφ 130nanometrov²m procesem, p°echod na 90nanometrovou technologii je v b∞hu. Jeden nanometr (nm) je miliontina milimetru. Z Moorova zßkona se u₧ dßvno stalo jakΘsi p°ikßzßnφ, Φeho mß b²t dosa₧eno. Spekulace o tom, kdy vlastn∞ bude potencißl k°emφku definitivn∞ vyΦerpßn, jsou neustßle korigovßny ve prosp∞ch delÜφho ΦasovΘho ·seku. "Äßdn² exponencißlnφ v²voj netrvß v∞Φn∞, ale tuto ,v∞Φnost' jeÜt∞ m∙₧eme trochu oddßlit," zav∞Ütil si 75let² Moore v lo≥skΘm roce.
Jakkoli se m∙₧e zdßt snadnΘ to, ₧e pr∙mysl neustßle zvyÜuje sv∙j r∙st, vynalo₧enΘ prost°edky jsou enormnφ. Tam, kde se u₧ narß₧φ na fyzickΘ hranice materißlu, je stßle svφzeln∞jÜφ odstra≥ovat z cesty vÜechny bariΘry. "International Technology Roadmap for Semiconductors" (ITRS) proto uvßdφ odhady technick²ch po₧adavk∙. Na tomto rozsßhlΘm dφle, kterΘ detailn∞ popisuje ·koly pro p°φÜtφ lΘta, se od roku 1998 podφlejφ vÜichni velcφ v²robci polovodiΦ∙ z Evropy, USA, Japonska, Koreje a Tchaj-wanu, stejn∞ jako vlßdnφ mφsta, konsorcia a univerzity.
Tento dokument je proÜpikovßn spoustou tabulek, v nich₧ jsou jednotlivΘ po₧adavky barevn∞ k≤dovßny. Bφlß znamenß ·lohy, jejich₧ °eÜenφ jsou ji₧ uskuteΦ≥ovßna ve v²rob∞. Älut∞ jsou oznaΦeny problΘmy, pro n∞₧ jsou znßma mo₧nß °eÜenφ. ╚φm dßle zasahujφ tabulky do budoucnosti, tφm vφce dominujφ Φervenß pole, tedy po₧adavky, na kterΘ dosud nikdo neznß realizovatelnou odpov∞∩ - tak znφ oficißlnφ vysv∞tlenφ. Ve skuteΦnosti se za mnoh²mi z t∞chto Φerven²ch polφ u₧ skr²vajφ nov∞ vyvinutΘ technologie, ty vÜak v²robci zatφm dr₧φ pod pokliΦkou.
"Roadmap je dobrΘ vodφtko, ale urΦit∞ ne poslednφ amen," naznaΦuje situaci dr. Manfred Engelhardt z v²zkumnΘho odd∞lenφ Infineonu. Tento v²robce u₧ mß ·dajn∞ vyvinuta °eÜenφ v∞tÜiny problΘm∙, kterΘ jsou v "cestovnφ map∞" Φerven∞ zakresleny a₧ do roku 2018. TakΘ Intel a AMD, ΦlenovΘ ITRS, jsou ji₧ mnohem dßl, ne₧ tento dokument udßvß: podle sv²ch internφch podklad∙ ob∞ spoleΦnosti cht∞jφ vyrßb∞t Φipy se strukturami 22 nm u₧ v roce 2011 - p∞t let p°ed oficißlnφm termφnem.
DV╠ PROCESOROV┴ J┴DRA A OB╪═ CACHE NA JEDNOM ╚IPU
A₧ dosud p°edstavil pr∙mysl ka₧dΘ dva roky novou technologii. "Pro p°φÜtφ dv∞ generace to jeÜt∞ bude dßle platit, potom se poΦφtß se zv∞tÜenφm odstupu inovacφ na t°i roky," myslφ si dr. Michael Raab, technologick² °editel firmy AMD. I t°φlet² rytmus vÜak jeÜt∞ pova₧uje za "velmi agresivnφ" p°φstup k v∞ci. Raab oΦekßvß, ₧e p°es sto milion∙ tranzistor∙ dneÜnφho procesoru bude brzy mo₧no umφstit na podstatn∞ menÜφ plochu. Pak by na k°emφkovΘm substrßtu (die) zbylo mφsto t°eba jeÜt∞ na dalÜφ procesorovΘ jßdro. Na takov²chto "dvoujßdrov²ch" °eÜenφch u₧ pracujφ jak AMD, tak Intel. Raab takΘ odhaduje, ₧e procesorovß cache (vyrovnßvacφ pam∞¥) se b∞hem p°φÜtφch p∞ti let zv∞tÜφ a₧ na 4 MB. "Spojenφ v²poΦetnφ jednotky a velkΘ Φßsti pam∞ti na jedinΘm velkΘm Φipu by mohlo p°inΘst mimo°ßdn² nßr∙st v²konu," prorokuje.
Vzdor spoleΦn∞ vynalo₧enΘmu ·silφ celΘho pr∙myslovΘho odv∞tvφ z∙stßvß konkurenΦnφ boj nadßle tvrd². "Technologie mß ohromn² vliv na dalÜφ v²voj," °φkß dr. Engelhardt. Sout∞₧ v polovodiΦovΘ bran₧i se vÜak bude rozhodovat p°edevÜφm ve v²rob∞. "Kdo vyrßbφ ekonomiΦt∞ji, bude vφt∞zit." EkonomickΘ p°itom je vyu₧φvat existujφcφ technologie tak dlouho, dokud to jde. ZvlßÜt∞ to platφ pro souΦasnΘ litografickΘ v²robnφ postupy, na nich₧ zßvisφ velikost struktur Φipu.
Do poloviny devadesßt²ch let se pracovalo s viditeln²m sv∞tlem. Dnes se k°emφkov² plßtek (wafer, chcete-li, tΘ₧ "oplatka") osv∞cuje ultrafialov²m laserem o vlnovΘ dΘlce 248 a 193 nm. Z fyzikßlnφho hlediska se zdß zhola nemo₧nΘ takov²mto nßstrojem vytvß°et daleko jemn∞jÜφ struktury dneÜnφch 130- a 90nanometrov²ch Φip∙. P°esto se to da°φ - dφky °ad∞ tak°ka kouzelnick²ch trik∙. Jednφm z nich je tzv. nelineßrnφ fotolak. Tento lak dokß₧e sv∞teln² paprsek, zaost°en² ΦoΦkami, soust°edit jeÜt∞ jemn∞ji. Pro vyu₧itφ v souΦasnΘm, 90nanometrovΘm procesu je navφc nutnΘ sv∞telnΘ vlny jeÜt∞ dodateΦn∞ "obelstφt". K tomu slou₧φ masky pro obrßcenφ fßze, kterΘ v ka₧dΘm druhΘm otvoru otoΦφ orientaci sv∞tla o 180░, co₧ zdvojnßsobφ rozliÜovacφ schopnost (viz obrßzek dole).
Zda se poda°φ s vlnovou dΘlkou 193 nm zvlßdnout i dalÜφ v²vojov² stupe≥, o tom se pr∙mysl vyjad°uje opatrn∞. Pro rok 2007 roadmap p°edpoklßdß 65nanometrovΘ struktury; Intel a AMD by se podle vlastnφch d∙v∞rn²ch plßn∙ m∞ly touto dobou dostat ji₧ na struktury s 45 nm. Proto se p°em²Ülφ nejen o ultrafialovΘm sv∞tle jeÜt∞ kratÜφ vlnovΘ dΘlky 157 nm, ale i o pou₧itφ kapalin, jako je voda nebo olej, kterΘ by se p°i osv∞covßnφ k°emφkovΘho plßtu m∞ly postarat o siln∞jÜφ lom sv∞tla.
OSV═CEN═ VE VAKUU: EXTR╔MN═ ULTRAFIALOV╔ SV╠TLO JE POHLCOV┴NO DOKONCE VZDUCHEM
Podle dneÜnφho stavu v∞domostφ se ultrafialov²m sv∞tlem jemn∞ji osv∞covat nedß. HlubÜφ pr∙nik do nanosv∞ta si v²zkumnφci slibujφ od tzv. extrΘmnφho ultrafialovΘho sv∞tla (EUV). Jeho vlnovΘ dΘlky od 11 do 14 nanometr∙ le₧φ hluboko pod hranicφ viditelnΘho sv∞tla a blφ₧φ se u₧ rentgenov²m paprsk∙m. Tak krßtkovlnnΘ zß°enφ je vÜak pohlcovßno jak²mkoliv prost°edφm, a tedy i vzduchem. Proto se cel² proces osv∞covßnφ musφ odehrßt ve vakuu. Krom∞ toho nelze, na rozdφl od dosavadnφ praxe, pou₧φt transparentnφ masky a ΦoΦky. EUV sv∞tlo je proto vedeno pomocφ vysoce reflektivnφ zrcadlovΘ optiky.
Pro rychlejÜφ v²robu Φip∙ nebude trvale mo₧nΘ jen technicky realizovat zjem≥ovßnφ struktur a hnßt se za stßle vyÜÜφmi poΦty tranzistor∙, aby byly dodr₧eny "zßvazky" plynoucφ z Moorova zßkona. ╚φm hloub∞ji se technologie no°φ do nanometrovΘ oblasti, tφm zßva₧n∞jÜφ problΘmy se objevujφ. S ka₧d²m dalÜφm tranzistorem stoupß spot°eba Φipu, kter² se tak vφce zah°φvß. ╚ßsteΦn∞ by se tento efekt dal vyrovnat kratÜφmi vodiv²mi drahami. Ale Φφm jemn∞jÜφ jsou elektrickΘ vodiΦe, tφm mΘn∞ volnosti majφ nosiΦe nßboje: vzhledem k Φast∞jÜφmu rozptylu na postrannφch st∞nßch vodiΦe vzr∙stß elektrick² odpor.
Kv∙li zv²Üenφ vodivosti ji₧ dßvno hlinφk nahradila m∞∩. Jeliko₧ vÜak atomy m∞di pronikajφ do k°emφkovΘho podkladu a tak polovodiΦ zneΦiÜ¥ujφ, obalujφ se m∞d∞nΘ drßhy tenouΦkou "slupkou" z tantalu. Propustnost nevodiΦ∙ p∙sobφ p°i sni₧ovßnφ tlouÜ¥ky materißlu dalÜφ problΘm: tunelovΘ efekty, znßmΘ z kvantovΘ mechaniky, dovolujφ tΘci proud∙m tam, kde to je ne₧ßdoucφ. HoreΦnΘ hledßnφ nov²ch izolaΦnφch materißl∙ se ji₧ vyvinulo v opravdovou "tajnou v∞du". Namφsto elixφru mlßdφ Φi kamene mudrc∙ jsou vÜak ₧ßdßny materißly "High K", pojmenovanΘ tak podle zkratky pro materißlov∞ zßvislou dielektrickou konstantu.
Pro zv²Üenφ vodivosti v nejtenΦφch k°emφkov²ch vrstvßch vymysleli v IBM nov² trik: "p°edpjat²" k°emφk. K°emφk se napa°φ na k°emφkogermaniovou podlo₧ku, jejφ₧ atomy majφ v∞tÜφ vzßjemnΘ vzdßlenosti. V tomto svazku zaujme i k°emφk v∞tÜφ rozestupy v m°φ₧ce, co₧ vede ke snφ₧enφ jeho elektrickΘho odporu (viz schΘma na str. 40).
Potφ₧e s izolujφcφmi a vodiv²mi vrstvami majφ za nßsledek, ₧e tranzistory spφnajφ tφm nespolehliv∞ji, Φφm jsou menÜφ. Tomu by m∞l zabrßnit v²voj dvou- nebo t°φbrßnov²ch (dual-gate nebo tri-gate) tranzistor∙, u nich₧ nap∞tφ °φdφ ne jedna "gate", ale dv∞ Φi t°i. Krom∞ vφcenßsobnΘ regulace se p°i stup≥ovitΘ stavb∞ zv∞tÜujφ kontaktnφ plochy polovodiΦov²ch vrstev.
Pokud si tempo v²voje podr₧φ svou dynamiku, vodivΘ drßhy Φip∙ dosßhnou do dvaceti let velikosti pouh²ch molekul. Pak u₧ namφsto zßkon∙ klasickΘ fyziky nastoupφ p°edevÜφm kvantovΘ efekty. S t∞mi jsou ale v²vojß°i konfrontovßni ji₧ nynφ - nejtenΦφ vrstvy na dneÜnφch "waferech" majφ tlouÜ¥ku jen n∞kolika atomov²ch pozic.
Velmi slibnΘ v²chodisko se zdß p°ichßzet ze samotnΘho nanosv∞ta: jde o uhlφkovΘ nanotrubiΦky. Tyto makromolekuly, kterΘ se sklßdajφ z uhlφkov²ch atom∙ uspo°ßdan²ch do kostry z Üesti·helnφk∙, jsou zformovßny do tvaru maliΦk²ch protßhl²ch dut²ch vßlc∙. Mohou dosßhnout dΘlky a₧ 1 mm a pr∙m∞r majφ od 0,4 a₧ do vφce ne₧ 100 nanometr∙. V zßvislosti na svΘ geometrii se chovajφ bu∩ jako kov, nebo jako polovodiΦ. Jejich p°ednostφ je vysokß pohyblivost nosiΦ∙ nßboje v trubiΦkßch, a₧ 200krßt v∞tÜφ ne₧ v k°emφku. P°itom vzdorujφ proudov²m hustotßm a₧ do 1010 A/cm2. Pro srovnßnφ: m∞∩ se tavφ ji₧ p°i 107 A/cm2.
V Infineonu se ji₧ poda°ilo vyu₧φt uhlφkovΘ nanotrubiΦky i k v²rob∞ v²konov²ch polovodiΦ∙. Dßle by se vÜak jako zajφmavß mohla ukßzat nßhrada m∞d∞n²ch vedenφ filigrßnsk²m uhlφkem. Pot°ebnΘ know-how u₧ v²vojß°i majφ: na urΦen²ch mφstech vyleptßvajφ v Φipu otvory a pomocφ katalyzßtoru v nich p°im∞jφ k r∙stu nanotrubiΦky.
Vzdor stoupajφcφm nßklad∙m na v²voj a v²robu klesajφ ceny jednotliv²ch Φip∙, nebo¥ ve v²robnφch cyklech se vyrßbφ najednou stßle vφce souΦßstek. Za tφm ·Φelem se nap°. ka₧d²ch p∞t let zvyÜuje pr∙m∞r pou₧φvan²ch k°emφkov²ch plßtk∙. V roce 1970 wafer o pr∙m∞ru 50 mm skuteΦn∞ p°ipomφnal jakousi suÜenku. Roku 1990 to k°emφkovΘ kotouΦky dotßhly na 150 mm, o p∞t let pozd∞ji byly zavedeny plßty o pr∙m∞ru 200 mm a v roce 2000 zaΦal p°echod na 300 mm. Z "oplatky" tΘto (p°φmo "lßze≥skΘ") velikosti lze "na jeden zßtah" vyrobit dvakrßt vφce Φip∙ ne₧ z d°φv∞jÜφho rozm∞ru.
Pokud jde o technickΘ hledisko, mohly by b²t plßty jeÜt∞ v∞tÜφ. P°esto se z∙stane u plßt∙ 300milimetrov²ch - z ekonomick²ch d∙vod∙. Podle nßzor∙ expert∙ je toti₧ trh p°φliÜ mal², ne₧ aby dokßzal vst°ebat jeÜt∞ v∞tÜφ poΦty vyroben²ch kus∙. V tΘto oblasti se ostatn∞ Moore zßsadn∞ zm²lil: v sedmdesßt²ch letech p°edpoklßdal, ₧e pr∙m∞r waferu dosßhne v roce 2000 p∙ldruhΘho metru.
Manfred Flohr, autor@chip.cz
DALè═ INFORMACE
public.itrs.net
www.intel.com/research/silicon
www.intel.com/education/makingchips
OTO╚EN╔ SV╠TLO
ObraceΦ fßze zm∞nφ vrchol vlny na jejφ d∙l. Je-li takov²m filtrem opat°en ka₧d² druh² otvor litografickΘ masky, p°ekr²vajφcφ se Φßsti vlny se u₧ nesΦφtajφ, ale vzßjemn∞ se ruÜφ. Intenzita sv∞tla, kterß je pro osvφcenφ rozhodujφcφ, tak zφskß vyÜÜφ rozliÜovacφ schopnost.
OPTICK┴ KONTROLA
Na m∞°icφm stanoviÜti 300milimetrovΘ v²robnφ linky se pod Üikm²m osv∞tlenφm provßdφ zßv∞reΦnß kontrola k°emφkovΘho plßtku. V²roba Φipu trvß Üest t²dn∙. Plßty se p°itom podrobφ 20 a₧ 30 v²robnφm operacφm. VysokΘ nßroky jsou kladeny na preciznost: v ka₧dΘm kroku musφ b²t plßtek pozicovßn s nanometrovou p°esnostφ.
NANOTRUBI╚KY
UhlφkovΘ nanotrubiΦky (Carbon NanoTubes, CNT) lze na Φipu vyu₧φt k rozvßd∞nφ nap∞tφ (Line) - jako p°emost∞nφ (Via) mezi vrstvami (mod°e), nebo dokonce jako tranzistory.
P╪EDPJAT▌ K╪EM═K:
K°emφkogermaniov² podklad donutφ atomy k°emφku, za normßlnφch okolnosti uspo°ßdanΘ hust∞ji, aby v m°φ₧ce zaujaly v∞tÜφ rozestupy. V tomto tzv. "p°edpjatΘm" k°emφku se pak elektrony mezi atomy pohybujφ voln∞ji.
JEMN┴ PR┴CI╚KA
Lidsk² vlas v pravΘ Φßsti obrßzku je p°ibli₧n∞ stokrßt v∞tÜφ ne₧ struktury na Φipu. Osvφcenφ k°emφkov²ch plßt∙ se provßdφ v litografick²ch Φist²ch prostorech, jako zde u firmy Infineon (vpravo).
