211service.com
Lithografie ontmaskerd
Omdat consumenten gaan verwachten dat alles, van mobiele telefoons tot knuffelbeesten, veel rekenkracht zal bevatten, staan fabrikanten onder druk om steeds snellere en goedkopere microchips te produceren. Maar het maken van computerchips met behulp van fotolithografie - de standaard fabricagetechniek - is enorm duur. Een aanzienlijk deel van die kosten zijn de stencilachtige maskers die de lichtstraal filteren die wordt gebruikt om miljoenen transistors op een chip te modelleren. Voor het maken van een enkele siliciumchip kunnen maar liefst 30 maskers nodig zijn die meer dan een miljoen dollar kosten - en naarmate de transistors op een chip blijven krimpen, stijgen de kosten van de maskers alleen maar.
Geen wonder dus dat onderzoekers zich haasten om manieren te ontwikkelen om maskers volledig af te schaffen. Een van de meest veelbelovende inspanningen, geleid door Henry Smith, directeur van MIT's NanoStructures Laboratory, maakt gebruik van een reeks kleine spiegels, elk met een diameter van slechts 16 micrometer, om licht door microscopische lenzen te sturen; elke lens focust een lichtstraal op een plek op de siliciumwafel, en hoe krachtiger de lens, hoe kleiner de plek. Door individuele spiegels heen en weer te kantelen, kan een computer individuele bundels in- en uitschakelen terwijl de hele opstelling over de wafer scant. Met maar liefst een miljoen spiegels zou het systeem hetzelfde complexe patroon op de siliciumchip kunnen creëren waarvoor normaal gesproken een reeks maskers nodig zou zijn.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van september 2001
- Zie de rest van het probleem
- Abonneren
Tot dusverre heeft Smith's groep het systeem gebruikt om chipkenmerken te modelleren die 350 nanometer breed zijn - 40 procent breder dan die op de beste chips van vandaag. Maar computersimulaties voorspellen dat de MIT-technologie functies kan genereren die zo klein of zelfs kleiner zijn dan die welke zijn afgeleid met conventionele lithografie door over te schakelen naar kortere golflengten van licht.
Aan de University of California, Berkeley, volgt een groep onder leiding van elektrotechnisch ingenieur William Oldham een vergelijkbare benadering; maar waar de MIT-groep zich heeft gericht op het vergroten van de sterkte van de lenzen om kleinere functies te maken, verkleinen de Berkeley-onderzoekers de grootte van de spiegels. Zonder de sterkte van de lenzen te vergroten, heb je kleinere spiegels nodig om kleinere patronen te krijgen, zegt Yashesh Shroff, een afgestudeerde student in het laboratorium van Oldham.
Momenteel maakt het team van Oldham spiegels met een diameter van slechts één micrometer. Niemand heeft ooit zulke kleine spiegels gemaakt, zegt Shroff. Binnen vijf jaar, voegt hij eraan toe, hopen de onderzoekers een compleet systeem te hebben dat eigenschappen van 50 nanometer of minder in siliciumchips kan etsen.
Maskerloze technologieën kunnen chipontwerpers ongekende flexibiliteit bieden. Als je een ontwerp per dag wilt testen, kun je het je niet veroorloven om een maskerset van een miljoen dollar per dag te bouwen, zegt Dan Herr, directeur materiaal- en proceswetenschappelijk onderzoek bij de door de industrie gesteunde Semiconductor Research Corporation in Research Triangle Park, NC. Met micromirrors daarentegen kan een ontwerper de array eenvoudig herprogrammeren. En de techniek zou de fabricage van op maat gemaakte chips kunnen maken voor zaken als het synthetiseren van spraak in speelgoed of het afspelen van MP3's in draagbare computers - chips die in veel kleinere hoeveelheden zijn vervaardigd dan bijvoorbeeld Pentium-processors - veel kosteneffectiever. Stel dat ik een chip wil maken voor een pratende teddybeer, maar ik verwacht er maar 2.000 van te verkopen, zegt ingenieur David Carter, een lid van de MIT-groep. Nu, met maskerkosten van een miljoen dollar, wie gaat $ 500 betalen voor een teddybeer?
Grotere flexibiliteit en lagere kosten zouden ook een zegen kunnen zijn voor andere industrieën die opkomende toepassingen van lithografie nastreven. Smith denkt bijvoorbeeld dat zijn technologie zeer geschikt zal zijn voor het modelleren van de kamers en kanalen die helpen bij het verwerken van biologische monsters in microfluïdische chips, die kunnen worden gebruikt voor het ontdekken van geneesmiddelen of in draagbare diagnostische apparaten.
Waarnemers suggereren dat het MIT-team het dichtst bij een product staat dat maskers zou vervangen; de onderzoekers hopen over een jaar of twee een commercieel spiegel-en-lensapparaat voor chipprototyping op de markt te hebben. Toch letten chipmakers ook op de lithografie-inspanningen van Berkeley, Stanford University en de University of Texas in Austin. Tot ongeveer twee jaar geleden werd al deze maskerloze technologie gezien als een zeer blauwe lucht, zegt de heer Herr. Maar vooruitgang in computersoftware en technologieën voor het vervaardigen van dingen als microspiegels - in combinatie met de stijgende kosten van bestaande productiemethoden - zou maskerloze lithografie binnen vier tot vijf jaar uit het laboratorium en in fabricagefabrieken kunnen brengen, zegt Herr.
Als en wanneer dat gebeurt, zal het een nieuwe barrière voor computerinnovatie wegnemen.