Нанотехнологии гарантируют будущее
В прошлом году в нескольких крупных изданиях были опубликованы статьи о работе профессора Университета Делавэра Ричарда Вула, изучавшего возможность использования куриных перьев... в качестве замены кремнию при производстве полупроводников.
сследования
Р.Вула показали, что микросхемы, при создании которых использовалось сырье из
куриных перьев, обладают рядом положительных свойств, однако старший вице-президент
корпорации Intel, генеральный директор подразделения Intel Technology and Manufacturing
Group (TMG) Сунлинь Чжоу утверждает, что именно кремний — а не перья и никакие
другие материалы — останется основой для производства полупроводников в течение
обозримого будущего. Уверенность Чжоу основана на результатах исследований,
проведенных корпорацией Intel совместно с крупнейшими университетами, включая
Беркли и Кембридж.
Оппоненты пророчат скорую кончину полупроводниковой технологии на основе кремния едва ли не с самого зарождения этой индустрии. Сколько раз они торжествовали, утверждая, что Intel и другие компании — производители традиционных полупроводников якобы дошли до рубежа, когда кремниевая полупроводниковая технология должна достичь объективного физического предела, но в течение нескольких последних лет, по словам Чжоу, исследователи в Intel и других организациях нашли и продолжают и сегодня изыскивать новые возможности использования новаторских технологий, отодвигая границу применимости кремния все дальше и дальше. Большие ожидания Intel в этом плане связаны с так называемыми нанотехнологиями.
Нанотехнология включает производственно-технологические процессы, материалы и структурные схемы устройств, используемые для создания транзисторов и элементов схем размером менее 100 нанометров (одна десятимиллионная часть метра). Первые транзисторы размером менее 100 нм корпорация Intel произвела около четырех лет назад, а в этом году она начнет производство уже 50-нанометровых транзисторов на основе 90-нанометровой технологии.
Человеческий волос толще одного такого транзистора примерно в тысячу раз, хотя, по мнению Чжоу, волос человека в качестве сравнительного атрибута уже устарел. Говоря о транзисторах, главный производственный технолог Intel предпочитает сравнивать их размеры с величиной вирусов — мельчайших микроорганизмов, поскольку некоторые слои материала, из которого состоит транзистор, даже тоньше, чем диаметр вируса. Так, оксидный затвор транзистора состоит примерно из пяти атомарных слоев, общая толщина которых чуть больше одного нанометра.
«Может показаться, что чем меньше окажутся устройства, тем труднее будет управлять их работой, на самом же деле в области нанотехнологий эффект может оказаться обратным, — говорит Чжоу, опровергая один из наиболее популярных в кругах скептиков аргумент. — С уменьшением размеров устройств в игру вступают новые физические механизмы, и на практике устройства могут начать вести себя даже лучше. Они могут пропускать больше тока, а не меньше — вопреки предположениям традиционной физики. В этом-то и заключается прелесть нанотехнологий, которые позволяют открыть много самых неожиданных эффектов и возможностей».
Одной из методик, применяемых корпорацией Intel для ускорения перехода на 50-нанометровые транзисторы, является использование напряженного кремния. Говоря простым языком, на молекулярном уровне кремний похож на решетку, которая «натягивается» и напрягается, позволяя электронам передвигаться быстрее с меньшим сопротивлением. Это, в свою очередь, позволяет изготавливать более быстродействующие транзисторы, из которых создаются более производительные микросхемы. Подобный эффект известен уже много лет, однако корпорация Intel стала первой, внедрившей его в массовое производство. По мере снижения эффективности традиционных методов «ускорения» транзисторов эта методика позволит корпорации Intel упрочить лидерство в области повышения производительности транзисторов.
По словам Чжоу, основой для будущих открытий и прорывов станут значительные достижения специалистов корпорации Intel в долгосрочных научных исследованиях и разработках. Эти разработки включают изготовление экспериментальных транзисторов размером около 10 нм (предполагается, что в ближайшие 10 лет транзисторы уменьшатся примерно до такого размера). Чжоу утверждает, что даже столь малые транзисторы ведут себя достаточно предсказуемо и, изучая их, корпорация Intel сможет еще до начала массового производства определить, какие поправки необходимо будет внести.
Постоянный инновационный поиск привел корпорацию Intel к разработке транзистора с тройным затвором. Новаторская трехмерная структура затвора позволяет току течь и по верхней поверхности, и по боковым вертикальным сторонам транзистора, в результате чего утраивается его активная площадь. «Транзистор с тройным затвором помогает находить решение некоторых проблем, связанных с масштабированием, — говорит Чжоу. — После смены примерно пары поколений производственных процессов мы с успехом сможем применить этот новый тип структуры транзистора».
На горизонте также забрезжили наномикросхемы нанопровода — структуры, которые можно будет интегрировать с будущими технологиями на основе кремния в качестве новых форм проводников (межкомпонентных соединений) или транзисторов.
«Пока еще рано делать точные прогнозы в отношении того, насколько успешными окажутся наши исследования, но мы уже сейчас ведем работы с несколькими университетами, — рассказывает Чжоу. — Когда у нас будет достаточно первоначальных результатов университетских исследований, мы сможем выбрать наиболее перспективные направления и сфокусировать на них наши собственные внутренние программы».
Чжоу предполагает, что полупроводниковая индустрия будет развиваться в направлении постепенного внедрения новых материалов, примером чему может служить, во-первых, недавний переход с алюминиевых соединений на медные, а во-вторых, работа корпорации Intel над так называемым диэлектриком с высоким коэффициентом k, который придет на смену диоксиду кремния в структурах затвора транзистора. Это, по словам Чжоу, позволит сократить утечку тока на затворе.
Изучение нанотехнологий дает возможности открывать новые полезные материалы и создавать новые устройства, причем гораздо практичнее внедрять эти инновации в серийное производство на базе кремниевых технологий, под которые уже создана мощная инфраструктура, нежели пытаться создать совершенно новую инфраструктуру. Вот почему, по мнению Чжоу, маловероятно, что в ближайшее время появится какая-то новая базовая технология, способная заменить технологию на основе кремния.
К тому же даже на нынешнем уровне развития кремниевых технологий многие компании далеко не полностью выработали их производственный потенциал. Так, корпорация Intel смогла без проблем внедрить свой 130-нанометровый процесс в массовое производство с высокой выработкой в начале 2001 года, тогда как многие другие участники индустрии, в том числе имеющие собственные «литейные» заводы — foundry, и мегафабрики, на которых производится полупроводниковая продукция, имеют низкую выработку на техпроцессе того же поколения. Кроме того, не многие производители полупроводников имеют достаточный резерв, чтобы перевести свои мощности на производство 300-миллиметровых кремниевых подложек и получить за счет этого серьезное снижение себестоимости продукции, которого уже добилась корпорация Intel.
Другими словами, корпорация Intel преуспела в том, в чем другие компании пока не смогли продвинуться, и именно поэтому вполне осознанно занимается исследованием будущих технологий. «Существует множество вариантов таких технологий, — отмечает Чжоу, — но лишь малая часть из них окажется успешной с точки зрения задач массового производства». Например, многие новые материалы могут казаться привлекательными сами по себе, однако в рамках массового производственного процесса они будут неэффективны.
«Мы, пожалуй, лучше других в индустрии владеем навыками поиска инноваций, и это дает нам реальные преимущества, — заявляет Чжоу. — Именно поэтому наш 130-нанометровый процесс нам удалось внедрить так безболезненно, тогда как для других компаний этот переход стал сущим кошмаром. Сегодня к внедрению в массовое производство готов наш 90-нанометровый процесс — и здесь мы опять впереди индустрии. Однако задача интеграции сложна даже для нас, и наш успех обусловлен в первую очередь талантами, образованностью и самоотверженностью наших специалистов по технологиям производства».
Метод, который позволяет достигать впечатляющих результатов и которым владеет корпорация Intel, прост — активное инвестирование в научно-исследовательские проекты (в прошлом году корпорация Intel вложила в эту сферу около 4 млрд долл., а в текущем планирует инвестировать 4,2 млрд долл.), а после разработки надежного производственного процесса — его точное копирование на нескольких заводах. «Мы стремимся добиться высокой выработки, что позволяет нам решать все интеграционные проблемы еще до начала развертывания производства», — говорит Чжоу.
Впрочем, так было не всегда. Intel и прежде осуществляла значительные инвестиции в научно-исследовательские проекты, но на первых порах разработчики корпорации передавали специалистам по производству незавершенные процессы с довольно низким коэффициентом выработки. После того как производственники получали технологию, им приходилось, по словам Чжоу, «латать, изменять ее и зачастую работать над технологией годами, прежде чем она начинала давать высокую выработку».
Ситуация изменилась в середине восьмидесятых. Разработчики корпорации Intel начали создавать процессы таким образом, чтобы их можно было запускать в массовое производство сразу с высокой выработкой. «Более того, если разработчики все делали правильно, специалистам по производству, к которым попадал процесс, не нужно было возиться с ним, и они могли сразу приступать к внедрению», — рассказывает Чжоу.
Постоянное совершенствование — часть метода точного копирования (Copy-exactly), разработанного Intel. Усовершенствования тщательно проверяются на предмет надежности и внедряются строго идентично на всех заводах для обеспечения максимальных преимуществ.
По мнению Чжоу, изменение методики в середине восьмидесятых стало тем самым переломным моментом, который помог корпорации Intel занять положение лидера в технологиях и производстве. «Это переопределило и расширило обязанности всех участников. Было крайне трудно, но результат был очень достойным. Другие компании пытались подражать нам, но я не знаю ни одной, которая бы делала это так же последовательно и эффективно, как мы. Именно прогрессивный характер мышления и действий будет стимулировать в будущем поступательное движение корпорации Intel в течение многих лет», — отмечает Чжоу.
