چرا صنعت تراشه به نوری فراتر از حد مجاز نیاز داشت؟
برای بیش از نیم قرن، ساخت تراشههای نیمههادی بر پایه یک تکنیک ثابت به نام فوتولیتوگرافی استوار بود. در این روش، نور از میان الگوهای ظریف یک ماسک عبور کرده، با لنزها کوچک میشود و مستقیماً به سطح ویفر سیلیکونی فرود میآید. هرچه ترانزیستورها باید کوچکتر میشدند، قلم حکاکی نیز باید باریکتر میگردید. قانون مور پیشبینی کرد که تراکم ترانزیستورها هر 18 ماه دو برابر شود، اما محدودیتهای فیزیکی موجهای نوری سنتی فرابنفش عمیق یا DUV با طولموج 193 نانومتر در آستانه تولید ساختارهای زیر 10 نانومتر ایستادند. در این نقطه، مهندسان ناچار شدند فرمت نوری را تغییر دهند و به نوری با طولموج 13.5 نانومتر روی آورند. این جهش عظیم در طیف الکترومغناطیسی، چالشی بنیادین ایجاد کرد: نوری با این سطح انرژی، توسط هوا و مواد شیشهای عادی جذب میشود. راهحل مهندسان، تعویض لنزها با آینههای چندلایهی فوقدقیق و انتقال کل فرآیند به داخل یک محفظه کاملاً خلاء بود که در ویکیپدیا نیز به تفصیل بررسی شده است.
حبس کردن یک ستاره در خلاء
هیچ لیزر تجاری نمیتواند نوری پایدار و قدرتمند در محدوده 13.5 نانومتر تولید کند. مهندسان راهی خلاقانهتر انتخاب کردند: ساختن یک ستارهی کوچک مصنوعی در هر ثانیه. در روشی که در مهندسی نور به نام PLP شناخته میشود، قطرات ریز قلع مذاب وارد محفظه میشوند و با برخورد پرتوهای لیزر قدرتمند به آنها، فوراً به پلاسمای درخشان تبدیل میشوند. این پلاسما در دماهای چند میلیون درجه کلوین، فوتونهای حوزهی فرابنفش فرین را ساطع میکند و مستقیماً برای چاپ مدارهای الکترونیکی استفاده میشود.
انتخاب قلع و تطبیق اتمی با 13.5 نانومتر
قلع تصادفی انتخاب نشده بود. وقتی اتم قلع بین 8 تا 13 الکترون خود را از دست میدهد، به حالتهای یونی با بار مثبت Sn9+ تا Sn14+ میرسد. در این حالت خاص، الکترونهای لایههای داخلی در هنگام پرشدن ترازهای انرژی، فوتونهایی ساطع میکنند که توزیع طیفی آنها دقیقاً حول محور 13.5 نانومتر متمرکز میشود. این نقطهی طلایی، بهترین تعادل بین بازدهی انرژی و سازگاری با اپتیکهای خلاء را فراهم میکند و باعث میشود ماشینآلات لیتوگرافی بتوانند بدون نیاز به فیلترهای اضافی، پرتوی خالص دریافت کنند.
ژنراتور قطرات و برخورد دقیق در سرعت بالا
کلید موفقیت این سیستم، ژنراتور قطره است. این مکانیسم با دقتی باورنکردنی، روزانه 50 هزار هدف مایع را به داخل محفظه شلیک میکند. هر قطره کوچکتر از یک موی انسان است و با سرعتی معادل 241 کیلومتر بر ساعت در حال حرکت است. لیزر باید دقیقاً در لحظهای خاص به مرکز این قطره در حال پرواز برخورد کند. برای رسیدن به پلاسمای بهینه، از دو پالس لیزر استفاده میشود: پالس اول Pre-pulse قطره را تخت و گسترده میکند تا سطح تماس با پلاسما افزایش یابد و پالس دوم Main-pulse با انرژی چند ژول، انفجار اصلی را خلق میکند. خطای هدفگیری کمتر از یک میکرومتر، کل فرآیند را مختل میکند.
نوری که در تاریکی سفر میکند
در حالی که نسل قبلتر نور را از میان قطرات آب هدایت میکرد، نور 13.5 نانومتری حتی با لایهای باریک از اکسیژن یا بخارน้ำ هم واکنش نشان میدهد و جذب میشود. بنابراین، تمام مسیر نوری در خلاء با فشاری کمتر از اتمسفر زمین قرار دارد. جمعآوری این نور ضعیف و پراکنده، به آینههای چندلایهای چنددهلایه Multilayer Mirrors نیاز دارد که لایههای متناوب مولیبدن و سیلیکون ساخت میشوند. هر آینه باید سطحی در حد یک اتم صاف باشد تا بتواند انرژی را بدون اتلاف بازتاب دهد.
حرکت به سمت گرههای 2 نانومتری و فراتر از آن، این ماشینهای چندمیلیوندلاری را به چکشی پیروس برای شکستن دیوارهای فیزیک تبدیل میکند. سازندگان تراشه اکنون برای افزایش راندمان انرژی، کاهش اتلاف مواد و بهبود نرخ تولید، سیستمهای خنککننده و نرمافزارهای کنترل پالس را بهینهسازی میکنند. مرزهای میکروسکوپنویسی روز به روز به دنیای اتمها نزدیکتر میشود و نسل بعدی پردازندهها دیگر با هندسههای دوبعدی سنتی، بلکه با ساختارهای سهبعدی و مادیات کماتساع طراحی خواهد شد؛ تغییری که مستقیماً سرعت یادگیری ماشین و معماریهای آینده را متحول میسازد.
