יורדים למיקרונים: איך נראה העתיד של ייצור מעבדים?

הכתבה בחסות אינטל

איך מייצרים מעבדים? במשך שנים הסתמכה תעשיית השבבים על קרני לייזר שצרבו וחצבו תעלות בפיסות סיליקון דקיקות, שבהן רצים האלקטרונים שאחראים למיליארדי הפעולות שמבצעים מעבדי מחשב בשנייה. הבעיה שפרוסות הסיליקון, המכונות גם “וואפרים” (כמו שכבות הבצק הדקיקות בוופלים) הלכו ונעשו דקיקות (מעבד ממוצע מכיל עשרות ומאות של שכבות כאלה), וקרני הלייזר הפכו עבות מדי כדי לחצוב את הנתיבים עבור האלקטרונים ביעילות.

המצב הזה הציב לתעשיית המעבדים אתגר חדש: איך להפוך את קרני הלייזר שצורבות את הנתיבים בסיליקון לדקיקות יותר? הפתרון של הדור הבא היה קרניים דקיקות יותר, באורכי גל קצרים יותר, בטכנולוגיה של אורכי גל שנמצאים בטווח הקיצוני של אולטרה סגול, או EUV בקיצור. חברה אחת מהולנד שהתבלטה ביצירת מכונות הליתוגרפיה, פעולה ה-“כתיבה” של רכיבי המעבדים היא ASML. פריצת הדרך שלה ב-2010 עם לייזרים באורכי גל של 13.5 ננומטר בלבד לעומת 193 ננומטר שהיו מקובלים עד אז אפשרה לתעשיית המעבדים להמשיך לצמוח לפי חוק מור המפורסם עשור נוסף.

אולם בשנים האחרונות, כשפרוסות הסיליקון הפכו עוד יותר דקיקות (כדי לדחוס יותר טרנזיסטורים לתוך המעבד ולאפשר לו יותר ביצועים), וירדו למיקרונים בודדים, שוב מוצאת את עצמה תעשיית המעבדים בפני מכשולים פיזיקליים. במשך תקופה, הפתרון היה מה שמכונה “ליתוגרפיה רטובה”, כלומר צריבה של נתיבי הטרנזיסטורים לאלקטרונים על פני פרוסות הסיליקון כשהן מוטבעות בתוך נוזל, מה שאפשר שליטה טובה על הכיוונון של קרני הלייזר, אולם גם השיטה הזו הלכה ומיצתה את עצמה.

כעת, כשמידת העובי של פרוסות הסיליקון הנצרבות נמדדת במיקרונים בודדים או עשרות אנגסטרומים (אנגסטרום הוא עשירית המיליונית של סנטימטר…זוהי כבר מידת גודל של אטומים בודדים!), נדרשה התעשייה לפתרון חדש, שנמצא בשדרוג עצבני של טכנולוגיית ה-EUV, שנקרא High NA EUV. החידוש הוא לא בקרן הלייזר שנותרה כשהייתה, אלא בעדשה הממקדת ובמפתח הצמצם שדרכו היא עוברת.

לייזר מבדיל

הבעיה העיקרית של מכונות ה-EUV הייתה מפתח הצמצם, כלומר החריר שדרכו עובר האור, או במקרה שלנו קרן הלייזר הממוקדת. הירידה בערך מפתח הצמצם הייתה משמעותית: מ-1.35 ל-0.33 מה שאומר שפחות אור ממוקד עובר, וזה משפיע על היכולת לצרוב את הנתיבים על הפרוסה. כך שהפיתוח הנוכחי של התעשיה התמקד, אם תרצו משחק מילים קטן, בהגדלת העשה שדרכה עוברת הקרן ומיקוד טוב יותר שלה. ASML ההולנדית הצליחה בשנים האחרונות לפתח ערך מפתח צמצם של 0.55 במקום 0.33, שזה שיפור משמעותי.

רק לסבר את העין, לא מדובר בהליך פשוט בכלל – אל תשכחו שאנחנו מתעסקים כאן בגדלים זעירים להחריד, ברמה אטומית. מדובר במראות בעובי של ננומטרים, אבל העדשה שנדרשת למקד את הקרן לרמת דיוק של אטומים בודדים כמעט היא עצומה בגודלה, ושוקלת 350 קילוגרם.

שינוי נוסף שנעשה בטכנולוגיה כדי להשיג את השיפור המיוחל, הוא בתדירות ההפקה של הקרן. קרן הלייזר של תחום הקיצון של אולטרה סגול היא בכלל לא לייזר, ונקראת ככה רק בשביל הנוחות. הקרן מופקת בכלל מפלזמה של בדיל ותהליך היצירה שלה עצמו הוא מרתק:

טיפות בדיל זעירות נורות במהירות אל תוך שפופרת וואקום. שם הן נתקלות בפעימות של לייזר רב עוצמה – אנחנו מדברים על לייזר בעוצמה של 25 קילוואט שפוגע בטיפה בעובי של שליש(!) משיערת אדם. טיפת הבדיל האומללה “חוטפת” מהלייזר 60,000 פעימות בשנייה, מה שמחמם אותה לטמפרטורה של 220,000 מעלות צלסיוס, פי 40 יותר מהטמפרטורה על פני השמש ואלה גורמות לה לפלוט קרינה באורך הגל הקיצון של אולטרה סגול.

הקרינה הזו נאספת דרך העדשה והצמצם במכונה לקרן ממוקדת להחריד שהיא זו שמסוגלת לצרוב או לחרוט נתיבים לאלקטרונים בפרוסת הסיליקון שעובייה שני מיקרון או פחות. המשמעות היא גם יכולת להקטין את הטרנזיסטורים על הפרוסה, ולצופף אותם עוד יותר ככה שאפשר לדחוס יותר טרנזיסטורים על כל פרוסת סיליקון המעוצבת במכונה, ויותר טרנזיסטורים אומר יותר ביצועים של המעבד! הצפי הוא להגיע עד טריליון טרנזיסטורים במעבד עד 2030.

פריצת הדרך הזו תאפשר לתעשיית המעבדים להמשיך ולהתקדם במשך עשור נוסף לפחות לפי חוק מור, ואינטל היא הראשונה לאמץ את הטכנולוגיה והמכונות החדשות של ASML ההולנדית, שעלותן אינה זניחה כלל: המכונות האלה עולות מאות מיליוני דולרים.

1,000,000,000,000  טרנזיסטורים

המפעל של אינטל באורגון הוא הראשון לקבל את המכונות החדשות של High NA EUV מתוצרת החברה ההולנדית, וגם ההרכבה וההובלה שלהן היא מבצע צבאי כמעט ומורכב, שכן מדובר באחת המכונות המורכבות והמסובכות ביותר שבנה האדם אי פעם. מכונות הליתוגרפיה יצאו מהמפעל של ASML בוולדהובן הולנד לארצות הברית, כשכל מכונה נשלחה ארוזה ביותר מ-250 ארגזים, ב-43 מכולות. עם הגיען לארצות הברית, הן הועמסו על מטוסי משא שנחתו בסיאטל, ומשם הן הועלו על 20 משאיות משא לנסיעה לאורגון. כל מכונה כזו, אגב, שוקלת יותר מ-150 טון. בהגיען למפעל העצום הן הורכבו בהליך ארוך, ולאחר מכן החלו בתהליך כיול, ארוך ומורכב לא פחות.

לעוד תכנים מעניינים עקבו אחרינו באינסטגרם או בטיקטוק

המכונות האלה, שיחלו בייצור שוטף לקראת 2025, יהיו מסוגלות לייצר יותר מ-185 פרוסות בשעה, ולהשלים ייצור של מעבד מתקדם תוך 3-4 חודשים. בין השאר, הן מסוגלות “לצרוב” שכבת סיליקון במעבר בודד, מה שיגביר את קצב הייצור.

הטכנולוגיה החדשה צפויה לשאת את אינטל אל תוך העשור הבא, עם יכולות ייצור מעבדים בפרוסות דקיקות בעובי של 18 אנגסטרום ב-2025, ולאחר מכן ב-14 אנגסטרום (1.35 ננומטר) ולהגיע ליעד של טריליון מעבדים במעבד עד 2030, עם מעבדים שיניעו את עולם הטכנולוגיה ואת הקדמה עמוק אל תוך העשור הרביעי של המאה ה-21.