این روزها، وقتی صحبت از محاسبات به میان میآید، بیشتر تمرکز بر نرمافزار و مهندسانی است که آن را طراحی و توسعه میدهند.نباید از یاد ببریم که بدون سختافزار و دانشی که پایههای شکلگیری نرمافزار را فراهم کردهاند، هیچچیز ممکن نبود. حوزههایی همچون اپتیک، علم مواد و مهندسی مکانیک نقشی اساسی در این پیشرفتها داشتهاند. پیشرفتهای صورتگرفته در علوم سختافزار این امکان را برای ما فراهم کرده است. تا تراشههایی بسازیم که تمام صفر و یکهای دنیای دیجیتال بر روی آنها جریان داشته باشند. بدون این دانشها و پایهها، محاسبات مدرن هرگز به واقعیت نمیپیوست.
لیتوگرافی چیست؛ نیمه هادی است، فرآیندی که وظیفه تولید تراشههای کامپیوتری را بر عهده دارد، شامل مجموعهای از مراحل پیچیده و دقیق است که با استفاده از فناوریهای پیشرفته انجام میشود، ریشه ای ۷۰ ساله دارد. موضوع اصلی لیتوگرافی به همان اندازه ساده است که فرآیند امروزی پیچیده است: این فناوری در اواسط دهه ۱۹۵۰ شروع شد، زمانی که فیزیکدانی به نام (جی لاتروپ) عدسی میکروسکوپ خود را وارونه کرد.
جی لاتروپ که سال گذشته در سن ۹۵ سالگی درگذشت،که از یاد رفته است؛ اما فرآیند لیتوگرافی که او و شریک آزمایشگاهش در سال ۱۹۵۷ ثبت اختراع کردند، جهان را متحول کرد. پیشرفت پایدار و مداوم در تکنیکهای لیتوگرافی، مدارهای کوچکتر و توان محاسباتی قابلتوجهی را فراهم کردهاند که قابل انتظار نبود و این تغییرات، تأثیرات عمیقی بر صنایع مختلف و زندگی روزمره ما گذاشته است.
جی لتروپ، در دهههای ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ با دوستش جک کیلبی روی فناوریهای خورشیدی کار میکرد. (کتابخانه های SMU)
لیتوگرافی در جهان امروز به یک صنعت عظیم با حاشیه خطا به سطح بسیار ناچیزی کاهش یافته است. شرکت هلندی ASML، بهعنوان پیشرو جهانی و بزرگترین شرکت فناوری اروپا از نظر ارزش بازار، درالویت قرار دارد. دستگاههای پیشرفته لیتوگرافی شرکت هلندی ASML، که از آینههایی با بالاترین سطح صافی در جهان، یکی از قدرتمندترین لیزرهای تجاری همراه با انفجارهایی که دمایی فراتر از سطح خورشید دارند، استفاده میکنند. قادر به طراحی الگوهایی در ابعاد چند نانومتر روی ویفرهای سیلیکونی هستند. این سطح بینظیر از دقت در مقیاس نانو، امکان تولید تراشههایی با دهها میلیارد ترانزیستور را فراهم کرده است. به احتمال زیاد، همین تراشههای پیشرفته در زندگی روزمره شما کاربرد دارند؛ از جمله تلفن همراه تا رایانه شخصی، و حتی در مراکز داده که وظیفه پردازش و ذخیره اطلاعات شما را بر عهده دارند.
در میان تمام ماشینهای پیشرفتهای که تراشهها را تولید میکنند، ابزارهای لیتوگرافی جایگاه ویژهای دارند؛ چرا که این ماشینها بخشهای مهم و پیچیدهای از فرآیند تولید تراشهها هستند. ساخت این تراشهها مستلزم صدها هزار قطعه و میلیاردها دلار سرمایهگذاری است. اما اهمیت این دستگاهها فراتر از صرفاً جنبههای رقابتی تجاری یا دستاوردهای علمی است. آنها در کانون رقابت ژئوپلیتیکی برای شکلدهی آینده محاسبات قرار دارند. چشمانداز بعدی محاسبات به پیشرفت فناوری لیتوگرافی و قابلیت تولید ابزارهای دقیقتر در این حوزه وابسته خواهد بود. تاریخ توسعه فناوری نشان میدهد که هر جهش در زمینه تولید اجزای تخصصی، نیازمند ماشینآلات پیچیدهتر، دقت بالا و زنجیرههای تأمین گستردهتری است. سرعت توسعه بخشی ابزارهای جدید لیتوگرافی و توان شرکتها و کشورها در دستیابی به این پیشرفتها، نه تنها سرعت پیشرفت محاسباتی را مشخص میکند، بلکه همچنین تعادل قدرت و سودآوری در صنعت فناوری را تحت تاثیر خواهد گذاشت.
پیشنهادی که امروزه برای تولیدات در مقیاس نانومتری را به لنز میکروسکوپ وارونه لاثروپ نسبت دهد، شاید باورپذیر به نظر نرسد؛ اما صنعت لیتوگرافی طی چند سال رشد و پیشرفت چشمگیری داشته است. این پیشرفت، زمینه را برای دنبالهرو تراشهها از قانون مور فراهم کرده، قانونی که پیشبینی میکند تعداد ترانزیستورها در یک مدار مجتمع تقریباً هر دو سال دو برابر میشود.
لاثروپ این فرآیند را در دهه ۱۹۵۰ بنیانگذاری کرد، زمانی که کامپیوترها هنوز از لولههای خلاء یا ترانزیستورهایی بهره میبردند که طوری بزرگ بودند که با چشم غیرمسلح دیده میشدند. به همین دلیل، تولید آنها بدون نیاز به توسعه نسل جدیدی از ابزارها، به دشواریهای کنونی نخواهد بود.
در زمان گذشته، نیاز به ساخت فیوز مجاورتی جدید برای ورود به داخل یک گلوله خمپارهای به قطر تنها چند اینچ، چالش بزرگی بود. یکی از اجزای مورد نیاز برای این فیوز، یک ترانزیستور بود، طوریکه پوسته آن به قدری کوچک بود که ترانزیستورهای موجود به سختی میتوانستند در آن جای بگیرند.
ساخت ترانزیستور در آن دوران هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار داشت. ترانزیستورها بیشتر به عنوان تقویتکننده در رادیوها استفاده میشدند، در حالی که ترانزیستورهای گسسته در حال ورود به رایانههای بزرگ و حجیم بودند. آزمایشگاه فیوز تجهیزات مورد نیاز برای ساخت ترانزیستورها را در اختیار داشت، مانند تولیدکنندگان کریستال و کورههای انتشار. اما حتی در یک آزمایشگاه پیشرفته تسلیحاتی، بسیاری از مواد و ابزارهای مورد نیاز برای ساخت ترانزیستورها باید از ابتدا طراحی و تولید میشدند.
نخستین ترانزیستورها از بلوکی از عنصر شیمیایی ژرمانیوم ساخته شده بودند که روی آن لایههای مختلفی از مواد قرار داشت، که شکل آنها شبیه به یک میزۀ صحرایی بود. این بلوکهای مسطح از مواد به شکلی ساخته میشدند که نخست بخشی از ژرمانیوم با قطرهای از موم پوشانده میشد. سپس یک ماده شیمیایی روی آن قرار میگرفت که ژرمانیومی را که پوشانده نشده بود، حکاکی میکرد. وقتی موم را برمیداستند، فقط ژرمانیومی که تحت پوشش موم قرار داشت باقی میماند و روی یک صفحه فلزی قرار میگرفت. این سیستم برای ترانزیستورهای بزرگ و پیچیده کارایی خوبی داشت، اما کاهش سایز آنها تقریباً غیرممکن بود. موم به شکل غیرقابل پیشبینیای جاری میشد و دقت حکاکی ژرمانیوم را محدود میکرد. لاترپ و همکار آزمایشگاهیاش، جیم نال، فهمیدند که پیشرفت آنها در زمینه فیوز مجاورتی به دلیل مشکلات ناشی از ریختن غیرقابل پیشبینی موم محدود شده است.
لاترپ چندین سال در حال مشاهده از طریق میکروسکوپها بوده تا چیزهای کوچک را بزرگتر نشان دهد. وقتی که او به چگونگی کاهش سایز ترانزیستورها فکر میکرد، لاترپ و جیم نال تصمیم گرفتند که شاید اپتیک میکروسکوپ در حالت معکوس بتواند چیزهای بزرگ یک الگو برای ترانزیستور را کوچک کند. برای این که بفهمند، آنها قطعهای از ماده ژرمانیوم را با نوعی ماده شیمیایی به نام فوتورزیست پوشاندند که از شرکت ایستمن کداک تهیه کرده بودند. نور با فوتورزیست واکنش نشان میدهد و آن را سختتر یا ضعیفتر میکند. لاترپ از این ویژگی استفاده کرد و یک ماسک به شکل میز صحرایی ایجاد کرد و آن را با اپتیک معکوس روی میکروسکوپ قرار داد. نوری که از سوراخهای ماسک عبور میکرد، که به وسیله لنز میکروسکوپ کوچک میشد و روی فوتورزیست تابانده میشد. در جایی که نور برخورد میکرد، مواد شیمیایی سخت میشدند. جایی که نور توسط ماسک مسدود میشد، میتوانستند شسته شوند و یک میز دقیق و مینیاتوری از ژرمانیوم باقی بماند. روشی برای تولید ترانزیستورهای مینیاتوری پیدا شده بود.
لاترپ این فرآیند را فوتولیithography (چاپ با نور) نامید و لاترپ و همکار آزمایشگاهیاش، جیم نال آن را ثبت اختراع کردند. آنها در سال ۱۹۵۷ مقالهای در مورد اختراع خودشان در نشست سالانه بینالمللی دستگاههای الکترونیکی ارائه دادند و ارتش یک جایزه ۲۵,۰۰۰ دلاری برای اختراع آنها به او اعطا کرد. لاترپ با این پول یک خودروی جدید برای خانوادهاش خرید.
در دوران جنگ سرد، بازار فیوزهای خمپاره به سرعت در حال گسترش بود، اما فرآیند لیتوگرافی لاترپ زمانی موفق شد که شرکتهایی که ترانزیستورهایی برای الکترونیکهای مدنی تولید میکردند، پتانسیل تحولی آن را فهمیدن. لیتوگرافی نه تنها ترانزیستورهایی با دقت بی نظیر تولید میکرد، بلکه دروازهای برای مینیاتور کردن بیشتر باز میکرد. دو شرکتی که پیشرو در رقابت برای تولید ترانزیستورهای تجاری بودند (فیرچایلد سمیکانداکتور و تگزاس اینسترومنتس) زودتر از دیگران اهمیت و بزرگی این تکنولوژی را درک کردند. لیتوگرافی ابزاری مهم بود؛ که برای تولید میلیونها ترانزیستور به آن نیاز داشتند و این امر موجب تبدیل این محصولات به کالاهای مصرفی انبوه شد.
نقاسی با نور
رابرت نویس، یکی از بنیانگذاران فیرچایلد بود، زمانی که هر دو در MIT در رشته فیزیک تحصیل میکردند، با لاترپ همکلاس بود. آنها اوقات فراغت خود را در دبیرستانی در کوههای نیوهمپشایر سپری کرده و پس از فارغالتحصیلی با هم در ارتباط بودند. در شرکت فیرچایلد، رابرت نویس به سرعت با شریک آزمایشگاهی لاترپ که جیم نال بود، با همکاری وی و با استفاده از دستگاهی که خود ساخته بود و مجموعهای از لنزهای دوربین ۲۰ میلیمتری که از یک فروشگاه عکاسی در منطقه خلیج تهیه کرده بود، رهبری پروژههای لیتوگرافی شرکت را به عهده گرفت.
در همین حال، لاتروپ در رقیب فیرچایلد، تگزاس اینسترومنتز، مشغول به کار شد و استیشن واگن جدید خود را به سمت دالاس برد. او درست زمانی وارد شد که همکار جدید و دوست همیشگی اش جک کیلبی در آستانه ایجاد یک قطعه مواد نیمه هادی با چندین قطعه الکترونیکی ساخته شده یا یکپارچه در آن بود. به زودی مشخص شد که این مدارهای مجتمع تنها با روش لیتوگرافی لاتروپ می توانند به طور موثر تولید شوند. از آنجایی که شرکتهای تولید تراشه در تلاش بودند تا ترانزیستورها را کوچک کنند تا تعداد بیشتری از آنها را روی تراشهها بچسبانند، فوتولیتوگرافی دقتی را ارائه کرد که برای تولید کوچکسازی لازم داشت.
فیرچایلد و تگزاس اینسترومنتز نخستین ماشینهای لیتوگرافی خود را در خانه ساختند، اما افزایش پیچیدگی ماشینها به سرعت افراد جدیدی را به خود جذب کرد. با تبدیل کاهش مقیاس ترانزیستورها از سانتی متر به میلی متر به میکرون، اهمیت اپتیک دقیق افزایش یافت. Perkin-Elmer یک شرکت مستقر در کانکتیکات بود که اپتیک های تخصصی را برای ارتش ایالات متحده تولید می کرد، از بمب گذاری گرفته تا ماهواره های جاسوسی. در اواخر دهه ۱۹۶۰، متوجه شد که این تخصص می تواند برای لیتوگرافی نیز استفاده شود. این اسکنر ابداع کرد که میتواند الگوی ماسک را روی ویفر سیلیکونی نمایش دهد و در عین حال آنها را با دقت تقریباً بیعیب همتراز کند. سپس اسکنر نوری را مانند دستگاه کپی روی ویفر حرکت داد و آن را با خطوط نور رنگ آمیزی کرد. این ابزار ثابت کرد که می تواند ترانزیستورهایی به کوچکی یک میکرون، یک میلیونیم متر بسازد.
رابرت نویس، که بعدها شرکت اینتل را بنیانگذاری کرد، برنامه لیتوگرافی Fairchild Semiconductor را با استفاده از لنزهایی که از یک فروشگاه دوربین در منطقه Bay Area خریداری کرده بود، راهاندازی کرد. (تد استرشینسکی/گتی ایمیج)
اما این رویکرد عملی نبود چون ویژگیهای تراشه هنوز کوچکتر میشدند. در اواخر دهه ۱۹۷۰، اسکنرها شروع به جایگزینی با استپرها کردند، ماشین هایی که نور را در مراحل مجزا در یک ویفر حرکت می دادند. چالش با یک استپر این بود که نور را با دقت در مقیاس میکرونی حرکت دهیم، به طوری که هر فلاش کاملاً با تراشه هماهنگ شود. GCA،یک شرکت مستقر در بوستون که ریشه آن به بالنهای جاسوسی بازمیگردد، اولین ابزار پله ای را بنا به توصیه موریس چانگ، مدیر اجرایی تگزاس اینسترومنتز ابداع کرد که بعدها بنیانگذار TSMC بود، که امروزه به عنوان بزرگترین سازنده تراشه در جهان شناخته میشود.
شرکت های تخصصی لیتوگرافی نیوانگلند به زودی با رقابت شدیدی مواجه شدند. در دهه ۱۹۸۰، زمانی که تراشهسازان ژاپنی شروع به کسب سهم عمده بازار در تولید تراشههای حافظه کردند، آنها شروع به خرید از نیکون و کانن، دو تولیدکننده داخلی ابزارهای لیتوگرافی کردند. تقریباً در همان زمان، فیلیپس، سازنده تراشه هلندی، واحد خود را که ابزارهای لیتوگرافی میساخت، به نام شرکت جدید ASML ایجاد کرد.
GCA که قهرمان لیتوگرافی آمریکا باقی ماند، برای کنار آمدن با این رقابت تلاش کرد. فناوری لیتوگرافی آن به طور گسترده ای به عنوان درجه یک شناخته شده بود، اما خود ماشین ها نسبت به رقبای جدید ژاپنی و هلندی آن کمتر قابل اعتماد بودند. علاوه بر این، GCA نتوانست یک سری چرخه های تجاری صنعت تراشه را در دهه ۱۹۸۰ پیش بینی کند. به زودی این شرکت از نظر مالی بیش از حد گسترش یافت و در پایان دهه به آستانه ورشکستگی رسید. باب نویس برای نجات شرکت تلاش کرد و به عنوان رئیس Sematech، یک موسسه تحقیقاتی نیمهرسانا تحت حمایت دولت که هدفش احیای صنعت تراشهسازی ایالات متحده بود، میلیونها دلار به GCA تزریق کرد. با این حال، این تلاشها برای جلوگیری از سقوط شرکت کافی نبود. به این ترتیب، صنعت لیتوگرافی وارد دهه ۱۹۹۰ شد که توسط سه شرکت، دو ژاپنی و یک هلندی، شکل گرفت و هدایت شد.
افول یک صنعت
افول صنعت لیتوگرافی آمریکا با یک جهش چشمگیر در پیچیدگی تکنولوژیکی این موضوع همزمان شد. نور مرئی، که طول موج چند صد نانومتری دارد و در دهه ۱۹۸۰ بسیار عریض بود که میتوان کوچکترین ترانزیستورها را با آن رنگ کرد. بنابراین صنعت به سمت استفاده از مواد شیمیایی جدید مانند فلوراید کریپتون و فلوراید آرگون برای ایجاد نور فرابنفش عمیق با طول موجهای کمتر از ۱۹۳ نانومتر رفت. در اوایل دهه ۲۰۰۰، پس از اینکه این اشعه ماوراء بنفش به خودی خود ابزاری بیش از حد نرم بود، ماشینهای لیتوگرافی ساخته شدند که میتوانستند نور را از آب پرتاب کنند و زاویه انکسار تیزتری ایجاد کنند و در نتیجه دقت بیشتری را فراهم کنند. سپس، پس از اینکه این لیتوگرافی (غوطهور) برای بهترین ویژگیهای یک تراشه ناکافی بود، لیتوگرافها شروع به استفاده از الگوهای چندگانه کردند و چندین لایه از لیتوگرافی را روی هم قرار دادند تا الگوهای دقیقتری روی سیلیکون تولید کنند.
با این حال، در اوایل دهه ۱۹۹۰، معلوم بود که برای ادامه ساخت ترانزیستورهای کوچکتر به یک منبع نور جدید با طول موج کمتر نیاز است. اینتل، بزرگترین سازنده تراشه آمریکا، سرمایهگذاری اولیه را در لیتوگرافی فرابنفش شدید (EUV) با استفاده از نوعی نور با طول موج ۱۳.۵ نانومتر هدایت کرد. این به اندازه کافی برای الگوهایی با ابعاد تقریباً معادل دقیق بود. اما تنها یکی از شرکتهای لیتوگرافی بجا مانده جهان، ASML، جرات این را داشت که آیندهاش را روی این فناوری شرطبندی کند، که توسعه آن به سه دهه و میلیاردها دلار نیاز دارد. برای مدت طولانی، بسیاری از کارشناسان صنعت فکر می کردند که به هیچ عنوان کار نخواهد کرد.
تولید نور EUV در مقیاس کافی یکی از پیچیده ترین چالش های مهندسی در تاریخ بشر است. رویکرد ASML مستلزم برداشتن یک گلوله قلع به عرض ۳۰ میکرون و دو بار پودر کردن آن با لیزر دی اکسید کربن فوق العاده پرقدرت است. این توپ حلبی را به پلاسمایی با دمای چند صد هزار درجه منفجر می کند. پلاسما نور EUV ساطع می کند، که سپس باید با مسطح ترین آینه هایی که تا به حال ایجاد شده است جمع آوری شود، که هر کدام از ده ها لایه متناوب با ضخامت نانومتر سیلیکون و مولیبدن ساخته شده اند. این آینهها تقریباً بهطور کامل توسط مجموعهای از محرکها و حسگرها ثابت نگه داشته میشوند که به گفته سازنده آنها، آنقدر دقیق هستند که میتوان از آنها برای هدایت لیزر برای ضربه زدن به توپ گلف در فاصلهای از ماه استفاده کرد.
تولید قطعات تخصصی در یک سیستم EUV مستلزم ساخت یک زنجیره تامین بین المللی پیچیده است. لیزر پرقدرت و قویکه توسط یک شرکت آلمانی به نام Trumpf تولید می شود که در وسایل برش دقیق تخصص دارد. آینه ها توسط شرکت زایس، یکی دیگر از شرکت های آلمانی با سابقه افتخار در زمینه اپتیک تولید می شوند. محفظهای که در آن توپهای حلبی پودر میشوند توسط Cymer، یک شرکت سن دیگو که بعداً توسط ASML خریداری شد، طراحی شد. ماشینی با صدها هزار قطعه را می توان تنها با مشارکت شرکت های مختلف در قاره های مختلف تولید کرد، حتی اگر مونتاژ آن در انحصار یک شرکت باشد.
امروزه از ابزارهای لیتوگرافی EUV برای تولید بسیاری از تراشه های کلیدی در تلفن ها، رایانه های شخصی و مراکز داده استفاده می شود. یک پردازنده معمولی تلفن هوشمند بیش از ۱۰ میلیارد ترانزیستور میکروسکوپی دارد که هر کدام توسط فرآیند فوتولیتوگرافی که Lathrop پیشرو بود چاپ می شود. لیتوگرافی برای ایجاد ترانزیستورها توسط کوئینتیلیون ها مورد استفاده قرار گرفته است و آنها را به پرطرفدارترین محصول تولید شده در تاریخ بشر تبدیل کرده است.
با این حال، شاید مهم ترین نقش لیتوگرافی EUV در تولید تراشه هایی باشد که مراکز داده پیشرفته به آن نیاز دارند. سیستمهای هوش مصنوعی بزرگ معمولاً بر روی تراشههای پیشرفته آموزش میبینند، به این معنی که از ترانزیستورهای فوق پیشرفتهای بهره میبرند که فقط لیتوگرافی EUV میتواند به طور کارآمد بسازد. این باعث شده است که سنگ نگاره به موضوعی ژئوپلیتیک تبدیل شود. از آنجایی که ایالات متحده تلاش می کند صنعت تراشه چین را از تولید تراشه های پیشرفته هوش مصنوعی متوقف کند، دسترسی پکن به ابزارهای حیاتی را محدود کرده است. سیستم های لیتوگرافی EUV بزرگترین نقطه خفه برای صنعت تراشه چین است.
این واقعیت که قابلیتهای محاسباتی دومین اقتصاد بزرگ جهان به دسترسی به ابزار واحد تولید شده توسط یک شرکت وابسته است، نقش اصلی لیتوگرافی را در بخش فناوری جهان نشان میدهد. این صنعت فوقالعاده پیچیده است. نتیجه تلاشهای تحقیقاتی فشرده توسط شبکهای از متخصصان در سراسر جهان در علم اپتیک و مواد، به علاوه میلیاردها دلار سرمایهگذاری. ابزارهای لیتوگرافی بومی چین چندین نسل پشت سر خود قرار دارند و بسیاری از اجزای کلیدی مانند آینه های فوق تخت و همچنین تخصص در یکپارچه سازی سیستم ها را ندارند.
این صنعت از زمان کار Lathrop روی فیوزها، مسیر طولانی را پیموده است. او در سال ۱۹۶۸ تگزاس اینسترومنتز را ترک کرد و به مدت یک دهه در آنجا کار کرد و در دانشگاه کلمسون، جایی که پدرش در آنجا تحصیل کرده بود، و نه چندان دور از محل زندگی والدینش، کرسی استادی گرفت. لاتروپ بقیه دوران حرفهای خود را به تدریس گذراند، اگرچه در تابستانها در دهههای ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ به TI بازگشت تا با دوست قدیمیاش جک کیلبی در تلاشی ناموفق برای توسعه فناوری فتوولتائیک برای انرژی خورشیدی کار کند. لاتروپ در سال ۱۹۸۸ از کلمسون بازنشسته شد و اثری بر هزاران دانشجوی مهندسی برق گذاشت.
فرآیند لیتوگرافی که او اختراع کرد، به پیشرفت خود ادامه می دهد. طی چندین سال، ASML نسخه جدیدی از فناوری EUV خود را به نام EUV با دیافراگم عددی بالا منتشر خواهد کرد که امکان لیتوگرافی دقیقتر را فراهم میکند. تحقیقات در مورد یک ابزار آینده با دقت بیشتری در حال انجام است، اگرچه مشخص نیست که آیا هرگز عملاً امکان پذیر است یا تجاری. ما باید امیدوار باشیم که اینطور باشد، زیرا آینده قانون مور و پیشرفتهای محاسباتی آن را قادر میسازد به آن بستگی دارد.
__ تکنو دات مرجع اخبار تکنولوژی __