Немногие из тех, кто не связан с производством полупроводников, слышали о компании Applied Materials и ее конкурентах. Однако то, чем занимаются эти организации, необходимо для поддержания темпов глобального технического прогресса.
Способ, с помощью которого технологические компании продолжают создавать все более быстрые и мощные компьютеры, претерпевает глубокие изменения — буквально на уровне атомов.
Рост производительности, который в течение десятилетий достигался в основном за счет уменьшения размеров отдельных компонентов микрочипов, что часто называют законом Мура, теперь все чаще становится результатом развития материаловедения, которое сейчас развивается быстрее, чем десятилетиями ранее. Базирующаяся в Санта-Кларе компания Applied Materials, основанная в 1967 году, за год до Intel, является крупнейшей из компаний, которые лидируют в этой области.
Это изменение, вызванное необходимостью. Производители сталкиваются с проблемой достижения пределов в уменьшении элементов, входящих в состав чипов, поскольку некоторые их характеристики теперь можно измерить в масштабах всего нескольких атомов.
В результате манипуляции с материалами, входящими в состав этих миниатюрных машин, и способами их соединения друг с другом стали основным решением, позволяющим инженерам продолжать делать их более быстрыми и эффективными.
Applied Materials и конкурирующие с ней Lam Research, Tokyo Electron и KLA в той или иной степени являются фирмами, специализирующимися в области материаловедения. Материаловедение — это междисциплинарная область, в равной степени как структурная, так и химическая инженерия, которая занимается разработкой новых соединений и новых способов их использования.
Applied Materials также изобретает новые производственные процессы и производит оборудование, позволяющее реализовать эти процессы на чрезвычайно сложных и дорогих предприятиях по производству микрочипов. По мере сокращения размеров элементов микросхем уменьшается и допустимая погрешность, увеличивается количество этапов их изготовления, а стоимость каждого поколения фабрик возрастает в десятки раз. Стоимость строительства нового завода в настоящее время превышает 10 миллиардов долларов.
Именно такие предприятия получат значительные льготы в рамках Закона о чипах и науке — нового закона, призванного стимулировать отечественное производство полупроводников в США, поскольку они стремятся уменьшить свою зависимость от зарубежных заводов, поставляющих важнейшие микросхемы.
Компания Applied Materials и ее конкуренты не новички в многолетнем стремлении ускорить производство микрочипов. Но с прекращением действия закона Мура их талант определять, какие атомы и куда движутся внутри микросхем, стал как никогда актуален.
Следует прояснить, что инженеры по-прежнему сокращают количество компонентов чипа, хотя и гораздо медленнее, чем это было возможно ранее. То, что хоть какое-то подобие закона Мура продолжает действовать — ведь осталось еще несколько атомов для уменьшения размеров элементов внутри микросхем, — во многом заслуга голландской компании ASML. Компания производит 180-тонные сверхсложные устройства размером с автобус, которые позволяют управлять интенсивным ультрафиолетовым излучением с помощью невиданных прежде способов.
На следующем этапе в дело вступают Applied Materials и ее конкуренты. Эти компании работают рука об руку с производителями чипов и другими поставщиками, такими как ASML, чтобы реализовать все остальные этапы производства микросхем.
Это процесс работы на уровне атомов. По словам Скоттена Джонса, старшего научного сотрудника TechInsights, ведущей консалтинговой компании в сфере производства полупроводников, самые совершенные чипы в мире создаются посредством наращивания слоев, толщина которых может составлять всего несколько атомов, а также удаления соединений в том же наноскопическом масштабе.
По мере достижения предельных возможностей изготовления различных элементов на двумерной кремниевой пластине производители микросхем перешли к третьему измерению, формируя микросхемы новым способом. Это означает, что вычислительные элементы чипа могут быть расположены ближе к элементам памяти, питания и связи, что делает чип быстрее и производительнее, даже если его характеристики остаются прежними.
По словам Субраманиана Айера, который более 30 лет проработал в IBM над созданием чипов, а сейчас стал профессором Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, трехмерные чипы значительно сложнее с точки зрения изготовления.
Один из способов описать эту сложность — рассказать о том, сколько слоев разводки содержится в чипе. Каждый слой разводки предназначен для каналов, которые направляют электроны между другими частями чипа, поэтому они являются косвенным показателем того, сколько слоев имеет чип в целом.
"В конце 90-х годов чип с 6 слоями разводки был самым современным", — говорит профессор Айер. "Теперь некоторые из этих микросхем имеют от 19 до 20 слоев разводки".
Если сравнить микрочипы со зданиями, то скромные бунгало прошлых лет превращаются в высотки.
"Как правило, если микросхемы становятся более объемными, то нанесение на них материалов и вытравливание ненужных фрагментов приобретает все большее значение", — считает Джонс. И это та часть производства чипов, которой занимаются Applied Materials и ее конкуренты.
Чтобы понять, почему так происходит, необходимо знать, что литография (процесс использования света, проходящего через систему линз, для нанесения рисунка элементов на микросхему) по своей сути является двумерным процессом. Компании, специализирующиеся на литографии, такие как ASML, могут использовать всевозможные ухищрения для получения света, который используется для создания рисунков на кремниевом чипе с деталями, все более близкими к размеру одного атома.
Но как добавлять еще один слой к чипу, а потом еще и еще? Для этого необходимы опыт и оборудование таких компаний как Applied Materials, специализирующихся в области материаловедения инжиниринга материалов. И хитроумная химия, необходимая для вытравливания ненужных частей кремниевой пластины после воздействия света в процессе литографии, тоже необходима.
Возьмем, к примеру, самые передовые в мире логические чипы. Это центральные процессорные блоки в ультрасовременном компьютере, будь то в вашем телефоне, центре обработки данных или транспортном средстве, и функционально они отличаются от чипов памяти или крошечных радиоприемников, обеспечивающих беспроводную связь.
По словам Тристана Холтама, руководителя отдела корпоративной стратегии и развития Applied Materials, для изготовления такого логического чипа может потребоваться более 1500 отдельных этапов производства.
По словам Джонса из TechInsights, все эти этапы необходимы по той причине, что эти чипы выходят в третье измерение. Для создания каждого слоя может потребоваться несколько этапов производства: использование света для выжигания рисунка на чипе, нанесение материалов слоями толщиной в атомы или выборочное вытравливание ненужных материалов.
Например, в одном из новейших процессов производители микросхем укладывают дополнительные слои чистого кремния, а также кремния, содержащего другие элементы, например германий. По словам Джонса, все атомы, добавленные в чип в результате этого процесса, должны быть организованы в идеальную кристаллическую решетку, чтобы получившиеся "горизонтальные нанолисты", из которых состоят отдельные транзисторы, могли работать. Детали, состоящие из кремния и германия, должны быть вытравлены, не прикасаясь к чистому кремнию, несмотря на то, что эти два вещества очень похожи. Это крайне сложная задача, требующая еще больших знаний в области материаловедения.
Все эти действия должны выполняться в полностью безвоздушной камере. Даже мельчайшие дефекты могут привести к тому, что изготавливаемый микрочип не будет работать.
В то же время все остальные известные компании, занимающиеся производством микросхем, включая Intel, TSMC и Samsung, не могут создавать свои микросхемы без оборудования и опыта Applied Materials и ряда других компаний, специализирующихся на материаловедении.
Поскольку производители чипов требуют еще больше инноваций, Applied Materials строит новый научно-исследовательский центр стоимостью 4 миллиарда долларов по соседству с существующим в Силиконовой долине. Там же, где Applied Materials разрабатывает свои самые передовые методы, ее клиенты смогут опробовать новые способы производства микросхем.
По словам Холтама из Applied Materials, такой объект необходим, поскольку продолжение расширения границ возможного в микрочипах на основе кремния означает переход на уровень "умопомрачительной сложности" в производстве микрочипов.
Источник: @thebugged
