ЭЛЕКТРОННАЯ ЛУЧЕВАЯ ЛИТОГРАФИЯ В РОССИИ СНОВА ПОЛУЧИЛА ИМПУЛЬС РОССИЯ И РЕНТГЕНОВСКАЯ ЛИТОГРАФИКА НАБИРАЮТ ВСЕ НОВЫЕ ОБОРОТЫ

В России создан суверенный литограф для выпуска микросхем. Он стоит как китайский автомобиль

В Санкт-Петербурге создан отечественный литографический комплекс из установок для безмасочного получения изображения на подложке и плазмохимического травления кремния. Разработчики уверяют, что первая машина, используемая для безмасочной нанолитографии, стоит в пределах 5 млн руб., то есть как современный китайский автомобиль хорошего качества, тогда как зарубежные аналоги оцениваются в миллиарды рублей.

Нанопрорыв России

Специалисты Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) разработали две установки для выпуска микроэлектронных наноструктур, которые дадут возможность «решить вопрос технологического суверенитета России в этом направлении в сфере микроэлектроники», пишут РИА «Новости» со ссылкой на представителей вуза. В комплекс устройств входят установки для безмасочной нанолитографии и плазмохимического травления кремния.

Первая установка используется для получения изображения на подложке, без использования специальной маски. Такая технология, по словам разработчиков намного менее затратна по сравнению с классической литографией как по деньгам, так и по времени, в которой для получения изображения используются специализированные шаблоны. Установка работает под управлением специализированного ПО и полностью автоматизирована.

По информации агентства, такая установка оценивается приблизительно в 5 млн руб., то есть она сравнима по цене со множеством современных китайских автомобилей, например, с кроссовером Geely Monjaro. Также РИА приводит сравнение с иностранными установками такого плана – агентство утверждает, что оно стоит в десятки раз дороже, в пределах 10-13 млрд руб.

Разработка номер два

Комплекс, разработанный в СПбПУ, предназначен для создания наноструктур, необходимых «для работы различного микроэлектронного оборудования», сообщили агентству представители вуза. Базмасочный литограф используется на первом этапе этого процесса, тогда машина для плазмохимического травления кремния пригодится на втором.

Российская литография стала немного более современной

Вторая установка использует в своей работе созданный на первом этапе рисунок на подложке. Она предназначена непосредственно для формирования наноструктур, но также позволяет создавать кремниевые мембраны, которые в дальнейшем могут использоваться, например, в судовых датчиках избыточного давления, пишут РИА «Новости».

Авторы проекта заверили агентство, что созданные на такой установке мембраны «превосходят по надежности и чувствительности изготовленные методами жидкостного или лазерного травления». Они подчеркнули также, что это полностью отечественный продукт.

Стоимость второй установки ее создатели раскрывать не стали.

Потенциальный спектр применения и дальнейшие планы

Комплекс из двух установок, созданный в недрах СпбПУ, может применяться, помимо прочего, для увеличения срока службы радиолокационного оборудования более чем в 20 раз, сообщил агентству заведующий лабораторией «Технологии материалов и изделий электронной техники» СПбПУ Артем Осипов. Он добавил также, что если задействовать установки в производстве солнечных панелей, то можно будет добиться снижения их массы и размеров и научить их работать в пасмурную погоду при столь же высоком КПД, сколь и при ярком солнце.

Разработчики не уточняют, заинтересовался ли кто-нибудь из российских производителей микросхем их новыми установками. В связи с этим нет информации, когда они начнут использоваться на реальном производстве. Тем временем изобретатели продолжают совершенствовать созданный ими комплекс для литографии. В частности, они намерены оснастить обе входящие в его состав установки искусственным интеллектом, не уточняя, какие именно задачи он будет решать.

Конкуренты не дремлют

СПбПУ – не единственный вуз, стремящийся создать передовые отечественные решения для литографии. Еще в октябре 2022 г. C News писал, что к работе в этом направлении приступил нижегородский Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН), но цель у него немного другая.

Как известно, на октябрь 2023 г. Россия была не в состоянии производить микросхемы по современным техпроцессам – стране доступна максимум 65-нанометровая топология, устаревшая почти 20 лет назад. Сейчас ведется строительство 28-нанометровой фабрики, го и этот техпроцесс давно утратил актуальность – уже давно освоен техпроцесс 4 нм, а в 2023 г. состоялся переход на 3 нм.

Как государство обеспечивает ИТ-отрасль кадрами

ИПФ РАН стремится сократить столь разительное отставание России от остального мира – специалисты вуза разрабатывают первый отечественный литограф, который сможет выпускать чипы по топологии 7 нм. Однако на это им потребуются годы – полноценную работу оборудование может начать не раньше 2028 г.

Также в марте 2023 г. C News писал, что Минпромторг заказал разработку и освоение производства литографических материалов для микроэлектронного производства, в частности, фоторезистов. За эту работу министерство заплатит 1,1 млрд руб.

Время на прочтение

Это 3-я статья из цикла.

1-я статья — Технология электронно-много-лучевой литографии от IMS Nanofabrication

2-я статья — Mapper — наш, или еще одна технология электронно-много-лучевой литографии

KLA-Tencor Corporation – крупный производитель оборудования для всех этапов производства микроэлектроники: пластин, матриц, микросхем и упаковки. От исследований и разработок до конечного серийного производства. В корпорации прекрасно понимают потребности и тенденции в отрасли, продолжают разработку электронно-многолучевой технологии при финансовой поддержке от DARPA в рамках программы Безмасочной Нанолитографии (Maskless Nanowriter Program).

Опубликована информация о 2-х поколениях технологии от KLA-Tencor, названой REBL (Reflective Electron Beam Lithography).

Исследователи из KLA-Tencor решили радикально подойти к одной из основных проблем электронно-многолучевой литографии. Эта проблема – источник электронов. Дело в том что, чтобы получить на мишени (кремниевой пластине) пятно минимального размера, желательно иметь источник с поверхностью излучения минимального размера (в идеале из одной точки), с минимальным разбросом по энергии (в идеале с одинаковой). С другой стороны, источник должен излучать, как можно больше электронов в единицу времени, от этого зависит скорость засветки. Таким образом, мы имеем некоторую дилемму компромисса: если большая площадь излучения – тогда большое (размытое) пятно, если маленькая площадь излучения – тогда небольшой ток (низкая скорость засветки).

А может стоит поискать в другом месте?

Действительно, столь ценный ресурс, как излученные электроны расходуется совершенно нерационально. После излучения и создания однонаправленного потока (коллимирования), электроны попадают на пластину с массивом отверстий (апертурную пластину). Причем, площадь занимаемая отверстиями, значительно меньше общей площади пластины и электроны просто гасятся на ней. Например, у IMS пластина имеет отверстия 4х4 мкм с шагом 32 мкм, т.е. из 1024 кв. мкм (32х32) полезными оказываются только  16 кв. мкм (4х4). Расход электронов просто расточительный, на один излученный электрон мы имеем 64 балластных! Это объясняется тем, что между отверстиями нужно размещать отклоняющие электроды и систему управления этими электродами.

Исследователи из  KLA предложили оригинальное решение – использовать не пластину с отверстиями, а пластину с электронными микро-зеркалами. Управление микро-зеркалами можно перенести на заднюю сторону и тем самым сэкономить на промежутках между ними. K LA-Tencor удалось создать массив из миллиона микро-зеркал диаметром каждого 1.4 мкм и шагом 1.6 мкм. Экономия площади (и ценных электронов) налицо.

Создание такой матрицы из микро-зеркал оказалось довольно сложной задачей и заняло порядка 3-х лет, так как электронные зеркала не имели широкого практического применения и их теория разработана очень слабо. Пришлось решать ряд проблем с взаимовоздействием лучей в соседних зеркалах при включении-выключении, слабым контрастом зеркал из-за разброса электронов по энергиям, слабо изученными микро-линзовыми эффектами.

В итоге на экспериментальной установке использовалась матрица с 1’015’808 микро-зеркалами (4096х248). Размер чипа был порядка 25х27 мм в центре которого массив зеркал занимал площадь с размерами 6.5х0.4 мм.

Причем раздельное управления осуществили только 248 колонками по 4096 микро-зеркал. Такое управление – это результат упрощения задачи, чтобы не создавать управляющую КМОП структуру, а обойтись только слоем металлизации.

Массив микро-зеркал. Шаг 1.6 мкм, высота пакета 4.0 мкм

Микро-зеркала представляли из себя стопку из 5-ти проводящих слоев разделенных изоляционными слоями. Таким образом каждое микро-зеркало было фактически микро-линзой в виде «чашки», дно которой являлось отражающей поверхностью. Если к этой поверхности прикладывалось положительное напряжение – зеркало поглощало поток электронов. Если отрицательное – электроны меняли направление движения на противоположное.

И куда пристроить столь замечательную находку?

Чтобы использовать зеркала электронно-оптическая система должна довольно существенно отличаться от классической.

Схема 1-го поколения технологии от KLA-Tencor

В 1-м поколении поток электронов (синий на схеме) из электронной пушки (Electron Gun) с помощью магнитной призмы (Magnetic Prism) направляется в сторону Цифрового Генератора Шаблонов (Digital Pattern Generator). С помощью системы объектной оптики (Objective Optics) энергия электронов снижается до 1 эВ, что позволяет отрицательным потенциалом в 1-2 В на массиве зеркал отразить падающий поток электронов в обратную сторону. Если же к зеркалу приложить небольшой положительный потенциал – электроны из потока будут поглощены зеркалом. Зеркала представляют из себя массив изолированных МЭМС элементов диаметром 1,4 мкм с шагом 1,6 мкм. Таким образом, из общего потока формируется пучок отраженных лучей (оранжевый на схеме), которые магнитной призмой поворачиваются в сторону проекционной оптики (Projection Optics). Проекционная оптика масштабирует (уменьшает) пучок лучей в 50 или более раз и проецирует на вращающийся стол (Multiple Wafer Rotary Stage). На столе размещаются одновременно 6 пластин.

Во время записи стол вращается и линейно перемещается так, что пучок лучей образует спиральную траекторию на столе от края к центру, как на грампластинке.

Такая электронно-оптическая система имеет довольно протяженную траекторию электронов, равную примерно 1540 мм. На такой длиной траектории трудно удержать электронный поток от «расползания» из-за сил Кулоновского расталкивания.

Поэтому было предложено 2-е поколение системы. С длиной электронно-оптического пути равной примерно 506 мм.

1-е поколение: длина оптического пути 1540 мм, 2-е поколение: длина оптического пути 506 мм

Схема 2-го поколения технологии от KLA-Tencor

Существенное отличие 2-го поколения системы заключается в том, что электронная пушка (Electron Gun) была перемещена из верхней части колоны на боковую сторону. А Цифровой Генератор Шаблонов (Digital Pattern Generator) помещен сверху колоны. Основной поворот лучей на 110 гр. осуществляется электростатическим дефлектором (Beam Bender), а расщепление траекторий в сторону Цифрового Генератора Шаблонов и в сторону стола осуществляется фильтром Wien (EXB filter). Фильтр Wien доворачивает поток из электронной пушки на 15гр., а пучок лучей, отраженный от зеркал, не меняет направления, по причине компенсации отклоняющих сил магнитного и электростатического поля.

Стол.

Столь странное решение в виде вращающегося стола объясняется двумя причинами.

Первая причина вынужденная. Получив выигрыш по рациональному использованию излученных электронов (расстояние между лучами сокращено до минимума), конструкторы пришли к тому, что пропала возможность средствами электронно-лучевой колоны (дефлекторами) сканировать лучами электронов мишень в поперечном направлении, относительно основного направления записи. Например, у IMS расстояние между соседними лучами составляет порядка 160 нм и система засветив пятно 20х20 нм отклоняет луч на соседнее поле 20х20 нм, так происходит пока все промежутки между лучами не будут засвечены. У Mapper дистанция засветки между соседними лучами составляет 2000 нм. Это позволяет использовать довольно медленно двигающийся координатный стол. В технологии KLA-Tencor, расстояние между лучами минимально (не более диаметра луча) – из-за этого отсутствует время засветки пространства между лучами, а общая площадь засветки, потоком всех лучей, на пластине составляет порядка 100х6.2 мкм (сторона 100 мкм перпендикулярно движению стола).  Отклонение луча на 100 мкм вызовет существенную дефокусировку, поэтому стол должен двигаться со значительной для механических систем линейной скоростью (по ширине 6.2 мкм реализуется полутоновая засветка). Для технологии KLA-Tencor эта скорость составляет порядка 3-10 м/с. Координатные столы с возвратно-поступательным движением будут испытывать значительные ускорения (до 20G).

Вторая причина является бонусом решения первой проблемы. Создав вращающийся стол для 6-ти пластин, появляется возможность размещения над столом нескольких электронно-лучевых колон ведущих одновременную запись, что кратно увеличивает производительность единичной установки.

Схема вращающегося стола

Диск (Platter Assembly) диаметром чуть более 1 метра установлен на ступице с магнитной подвеской.  Вес диска примерно 120 кг.

Система метрологии состоит из двух основных частей.

Первая часть – это система 10-ти осевого лазерного интерферометра, состоящего из неподвижных относительно колонной лазера (Laser Assembly) и кронштейна в виде «зонтика» (Umbrella Assembly) с прикрепленной к нему и распределяющей по 10-ти осям лазерный луч оптикой (Distribution Optics). Эта система определяет координаты прикрепленного к центру диска очень точного кольцевого зеркала (Ring Mirror).

Вторая часть – это поворотный энкодер, измеряющий угловое положение диска относительно «системы».

Магнитный подвес стола позволил реализовать самобалансировку системы.

Части стола. X-Stage Base Plate (Базовая платформа, перемещение по Х-координате), Rotary Stage Platter (Вращающийся диск стола), Ring Mirrow Mounted on Maglev Hub (Круглое зеркало, закрепленное на ступице с магнитным подвесом). На верхнем правом фото — «зонтик»-кронштейн с системой зеркал, поставлен на ребро.

Технология многолучевой электронной литографии от KLA-Tencor, позволяет преодолеть довольно существенный барьер, ограничивающий производительность, получаемую от единичного источника электронов, и соответственно, от единичной установки. Однако, преодоление этого барьера повлекло за собой довольно существенное усложнение технологии.

И, как было сказано выше, технология не шагнула за стены лаборатории. Довольно заметной характеристикой уровня развития технологии, является отсутствие какой-либо информации о борьбе авторов с загрязнением вакуума от испарений электронрезиста (фоторезиста). Это говорит о том, что количество часов работы экспериментальных установок очень небольшое (вакуум не успевает загрязниться), и авторы еще не столкнулись с этой проблемой.

фото слева — 1-е поколение технологии с линейным магнито-леветирующим столом. Фото справа 2-е поколение технологии, тоже с линейным магнито-левитирующим столом.

Это третья статья из цикла.

Технология электронно-много-лучевой литографии

Это 1-я статья из цикла.

2-я статья — Mapper — наш, или еще одна технология электронно-много-лучевой литографии

3-я статья — KLA-Tencor — революция в много-лучевой электронной литографии

Для начала о проблеме

Из каждого «утюга» мы слышим о нанометрах в микроэлектронике. Те, кто чуть глубже погружен в тему слышали о том, что для получения заветных нанометров используют литографы и что самые продвинутые производители микросхем переходят с литографов на DUV (Deep Ultra-Violet, Глубокий ультрафиолет с длиной волны 193 нм) на EUV (Extreme Ultra-Violet, Экстремальный ультрафиолет с длиной волны 13,5 нм).

Но чтобы получить рисунок на пластине, нужно сначала получить его на фотошаблоне. Причем рисунок на фотошаблоне зачастую бывает намного сложнее, чем получаемый в итоге отпечаток на кремниевой пластине. Это делается для подавления эффекта «близости» и подавления эффектов возникающих из-за дифракции.

Хотя размер рисунка фотошаблона обычно в 4 раза больше итогового рисунка на пластине, точность его изготовления должна быть не хуже точности рисунка на пластине, т.к. все «рваные» края и «округлые» углы на фотошаблоне будут усилены на пластине более чем в 4 раза.

До некоторого предела, а точнее, для фотошаблонов на техпроцесс до 180 нм используют лазерные генераторы фотошаблонов. Но для техпроцессов от 180 нм и меньше уже невозможно, используя лазерный луч, добиться точности, необходимой для фотошаблонов. И здесь начинается использование электронно-лучевых литографов. Т.к. длина волны у электрона на несколько порядков меньше длины ультрафиолетового излучения, то появляется возможность рисовать лучом из электронов структуры с точностью до 1-5 нм.

Скорость засветки у электронно-лучевого литографа на порядки меньше скорости засветки у лазерного генератора фотошаблонов.

На один фотошаблон может потребоваться до нескольких суток, а если учесть что полный комплект фотошаблонов для микросхемы может состоять из 80 шт. этих фотошаблонов, то срок производства комплекта фотошаблонов (масок) может занять несколько месяцев.

Учитывая стоимость электронно-лучевого литографа (порядка 15 млн. U SD) становится понятно, почему комплект масок для техпроцесса 130 нм может стоить 500 тыс. U SD, а для продвинутого техпроцесса 7-14 нм может легко уйти за 10 млн. U SD.

Может, стоит ускориться?

Да, это того стоит. Поэтому естественно родилась идея повторить принцип работы лазерных генераторов изображения, использующих для засветки до миллиона одновременно управляемых лазерных лучей. Эти лучи отражаются от микро-зеркал, которые программно «дергаются» и отбрасывают лазерный луч то на пластину (через специальное микро-отверстие), то мимо (на поглотитель). Так формируется изображение на засвечиваемой пластине.

Выглядит красиво – сотни тысяч, или даже миллион электронных лучей, одновременно облучают пластину с невероятной точностью в 1-5 нм. Мы получаем технологию, при которой возможно вообще отказаться от столь дорогостоящего звена как фотошаблоны. И возможно производство прототипов, малых и средних партий микросхем по разумным ценам!

Отсюда начнем описание имеющихся вариантов технологий Электронно-много-лучевых технологий и проблем на пути их реализации.

Технология от IMS Nanofabrication (IMS-NANO) — самая «простая»

Самый скромный участник соревнований технологий электронно-много-лучевой литографии, но достигший осязаемых коммерческих результатов.

В рамках европейской программы MAGIC (MAskless lithoGraphy for IC manufacturing), были выделены 11,75 млн. евро на поддержку компаний MAPPER и IMS Nanofabrication.

Компания IMS Nanofabrication AG (Австрия) вначале развивала проект ионно-много-лучевого литографа CHARPAN (Charged Particle Nanotech).

К февралю 2009 года был создан образец доказывающий работоспособность концепции. На ионах водорода с энергией 10 кэВ при диаметре луча 12,5 нм на резисте HSQ было получено разрешение менее 16 нм. Количество лучей в матрице ~43’000 шт.

Но ионы водорода нежелательный элемент, остающийся в кремниевой подложке после засветки фоторезиста.

Поэтому, начиная с 2009 года, компания перенесла свое внимание на разработку электронно-много-лучевого литографа по проекту RIMANA (Radical Innovation Maskless Nanolithography), также при финансовой поддержке от Европейской комиссии. Причем, вначале использовались апертурная и гасящая матрица из проекта ионно-много-лучевой литографии.

Тестовые системы уровня доказательства концепции:
Проект CHARPAN (слева), проект RIMANA (справа)

Электронно-лучевая колона по проекту RIMANA позволяла использовать только 2’500 лучей из возможных 43’000. Поэтому с четвертого квартала 2009 года было начата работа над созданием новой колоны и матрицы для нее.

К 2013 году был собран электронно-лучевой литограф с матрицей на 262’144 (512х512) лучей с диаметром пятна каждого луча 20 нм.

Установка уровня доказательства концепции IMS-NANO – аппарат экспонирования фотошаблонов eMET (electron Mask Exposure Tool):

Компания решила увеличить размер пятна до 20 нм – это позволяет повысить производительность, увеличив ток пятна, а путем частичного смещения места засветки на неполный размер пятна и управлением времени засветки, возможно создания элементов топологии с размерами 1/3-1/2 от размера пятна.

Так при смещении пятна на половину его размера и времени засветки длительностью 33% от полного,  возможно получение элемента топологии размером 10 нм. Литограф от IMS позволяет управлять смещением пятна с точностью до 0,1 нм

В IMS Nanofabrication решили не хватать звезд с небес – строить аппарат способный конкурировать с аппаратами проекционной литографии от ASML (монополиста на рынке литографии для микроэлектроники). В компании пошли по твердому пути – постройке электронно-лучевой колоны по классической схеме отработанной на электронно-лучевых микроскопах. С некритическим током электронной пушки и с небольшими токами в отдельных лучах.

Отказ от предельных токов, позволил использовать общепринятую электронно-оптическую схему с кроссоверами (местами где отдельные лучи пересекаются), и соответственно, использовать, хорошо изученные макро-линзы и макро-дефлекторы для управления и масштабирования всего пучка лучей сразу. Это значительно упростило электронно-оптическую схему и схемотехнические решения системы управления.

Схема технологии IMS-NANO

Поток электронов из электронного источника (Electron source), коллимируется электростатической конденсорной многоэлектродной оптикой (Electrostatic multielectrode condenser optic). Программируемой апертурной пластиной (APS), состоящей из апертурной пластины (Aperture plate) и гасящей пластины (Blanking plate) формируется пучок лучей. Электростатической многоэлектродной ускоряющей линзой (Electrostatic multielectrode accelerating lens) энергия электронов повышается до 50 кэВ и фокусируется в 1-й кроссовер.

1-я магнитная линза (1st magnetic lens) фокусирует пучок во 2-й кроссовер в центре апертурного отверстия останавливающей пластины (Stopping plate at 2nd cross-over). Электронный луч, который был немного отклонен гасящей пластиной (ярко-зеленый) не попадает во 2-й кроссовер, а поглощается останавливающей пластиной. С помощью многополюсной отклоняющей (дифлекторной) системы (Beam steering multipole) пучок электронов может отклоняться, тем самым засвечивая промежутки между лучами и компенсируя при необходимости движение непрерывно двигающегося сканируемого стола (Scanning stage). 2-я объектная магнитная линза (2nd magnetic lens) окончательно фокусирует пучок на пластине или фотошаблоне покрытом резистом (Resist coated 6” mask blank).

Общее масштабирование (уменьшение) создаваемое электронной оптикой составляет 200 крат (Electron beam projection optics with 200x reduction).

Сердце электронно-много-лучевого литографа — апертурная пластина (APS).
На фото пластина из проекта CHARPAN в сборе, состоящая из апертурной и блокирующей пластин

Хотя технология не обладает выдающимися показателями производительности (10 кв. см в час), относительно других технологий электронно-много-лучевой литографии, но на порядок превосходит производительность электронно-одно-лучевой литографии.

А относительная простота, позволила довести ее до коммерческого промышленного уровня для производства фотошаблонов. На текущий момент компания расширяет свое присутствие на рынках Тайваня, Южной Кореи и США.

Первые результаты экспонирования:

a) 30 нм +45 гр. -45 гр. негативный HSQ резист (слева), позитивный pCAR резист (справа), электронный луч сечением 20 нм, энергия электронов 50 кэВ,
b) Горизонтальные и вертикальные периодические линии с полушагом 24 нм (HP, half pitch), энергия электронов 50 кэВ, электронный луч сечением 20 нм, апертура 4 мкм,

с) Изолированные линии 24 нм под разными углами на негативном HSQ и позитивном pCAR резисте (надписи сделаны линиями 30 нм), энергия электронов 50 кэВ, электронный луч сечением 20 нм, апертура 4 мкм, масштабирование 200:1.

Первые результаты (proof-of-concept) экспозиции,
полученные на системе безмасочной электронно-многолучевой литографии.
Резист HSQ, слой 50 нм,энергия электронов 15 кэВ,
электронный луч сечением 17.5 нм, апертура 3.5 мкм, масштабирование 200:1.

Показанные на картинках первые результаты сравнимы с лучшими показателями для EUV литографии (длина волны 13,5 нм) от ASML, но скорость засветки не позволяет конкурировать с технологией проекционной литографии для массового производства микросхем. Рынком для технологии от IMS Nanofabrication остается рынок фотошаблонов, (кстати достигший в 2021 году 4,2 млрд USD), рынок прототипов и малых партий микросхем.

В нижегородском Институте прикладной физики РАН разрабатывают первый отечественный литограф, который сможет выпускать чипы по топологии 7 нм. Полноценную работу оборудование может начать в 2028 г.

Российская установка

В Институте прикладной физики Российской академии наук (ИПФ
РАН) в Нижнем Новгороде ведется разработка первой российской установки литографии для производства
микроэлектроники сверхмалого нанометража. Об этом сообщается на сайте «Стратегия развития нижегородской
области».

На данный момент учеными РАН создан первый демонстрационный
образец оборудования. На этой установке получены отдельные изображения на
подложках с разрешением до предельных 7 нм.

Сейчас «Микрон» — единственный в России контрактный вендор
полупроводников, способен выпускать относительно современные чипы. На предприятии
освоен выпуск микросхем по топологии 65 нм, но лишь для штучных партий —
инженерных образцов. Массовое же производство налажено лишь для топологии не ниже 90
нм, что по современным меркам — «прошлый век».

К примеру, тайваньская TSMC начала освоение двухнанометровой нормы производства чипов и процессоров еще в июне 2019 г.

Шесть лет на
разработку

Промышленный образец отечественного литографа на 7 нм планируется создать через
шесть лет. Так, в 2024 г. будет создана «альфа-машина». Такая установка станет
рабочим оборудованием, на котором можно будет проводить полный цикл операций.

В России через шесть лет появится литограф

На втором этапе в 2026 г. появится «бета-машина». Системы оборудования
будут улучшены и усложнены, увеличится разрешение, повысится
производительность, многие операции будут роботизированы, отмечается на сайте нижегородской стратегии. Установку
уже можно будет применять на масштабных производствах.

И на третьем этапе (2026-2028 гг.) отечественный литограф
получит более мощный источник излучения, улучшенные системы позиционирования и
подачи, и начнет полноценную работу.

Оборудование в России
и в мире

Оптическая система демонстратора, собранная в ИПФ РАН, уже
превосходит все аналоги, существующие в мире на сегодняшний день, считает замдиректора Института физики микроструктур РАН по научно-технологическому
развитию Николай Чхало.

Цифровизация в облаках: как ускорить автоматизацию закупок с помощью отечественного ПО

По сравнению, например, с литографами крупнейшего
производителя литографического оборудования для микроэлектронной промышленности ASML
в нижегородской модели источник излучения в разы компактнее и чище в работе,
отметил Чхало. По его словам, последнее обстоятельство значительно влияет на стоимость,
размеры и сложность оборудования.

На выходе при равной мощности источника
излучения отечественная установка будет в 1,5-2 раза эффективнее того, что
создано ASML.

Оборудование для
микросхем

В мае 2022 г. стало известно о планах «Микрона» совместно с
«Московским институтом электронной техники» (МИЭТ) и Зеленоградским нанотехнологическим
центром разработать оборудование для производства микросхем топологического
уровня 28 нм и меньше.

Оборудование планируется создать на базе действующих и
запускаемых в стране синхротронов (в ТНК «Зеленоград», НИЦ «Курчатовский
институт»), а также на базе отечественных плазменных источников.

Ребят, не торопитесь! Не каждый литограф — станок для производства чипов! В данном случае речь идёт об очень специализированном оборудовании, на котором чип не сделать.

При этом в новости не даётся никакой конкретики, даже размеры получаемых структур не были озвучены, что дало широкое поле для домыслов и совершенно сумасшедших заголовков в СМИ, но ниже я дам кое-какую дополнительную информацию, так что будьте внимательны и дочитайте до конца!

Кстати, даже по сравнению с этим новым литографом, литографическое оборудование от ИПФ РАН, созданное в железе ещё в 2011 году, намного ближе к тому, которое может изготавливать чипы, хотя это всего лишь лабораторный стенд.

Итак, был разработан некий «импортозамещающий технологический комплекс, на котором можно создавать наноструктуры, необходимые для работы различного микроэлектронного оборудования».

Нигде не говорится о промышленном производстве чипов. Говорится лишь о том, что с помощью этого комплекса можно создавать некие наноструктуры. При этом не уточняется, что это за наноструктуры, что уже довольно подозрительно, не правда ли?

Итак, что же говорится про комплекс ещё?

Комплекс состоит из двух частей. Первая — промышленный образец установки безмасочной нанолитографии. По оценкам ученых, такая отечественная установка будет стоить примерно 5 миллионов рублей в отличие от 10-13 миллиардов рублей за иностранную.

То есть, якобы, разработан промышленный образец некоего литографа, использующий бесшаблонный принцип экспонирования. Что из себя представляет и на каких принципах работает модуль бесшаблонного построения рисунка в новости не указывается, что тоже слегка настораживает.

Длина волны также не указывается, хотя это точно не экстремальный ультрафиолет. Поэтому в случае классической литографии разрешение такого литографа не сможет быть тоньше 350-500 нм а то и вообще будет измеряться микрометрами. Но классическая ли это литография?

Белорусский CCD литограф ЭМ-5634 от ОАО «Планар» с разрешением 1 мкм

Ниже я покажу, что наши подозрения справедливы. А пока давайте продолжим читать новость.

Второй элемент комплекса — промышленный образец установки плазмохимического травления кремния. Разработка комплекса поможет решить вопрос технологического суверенитета России в этом направлении в сфере микроэлектроники.

Травление кремния после его засветки литографом является одной из составляющих сложного и многоступенчатого процесса производства микросхем. При этом технологии травления могут быть разными. В данном случае говорится о плазмохимическом травлении — процессе удаления частиц кремния в среде реактивной плазмы.

Руководитель проекта, заведующий Научно-исследовательской лабораторией «Технологии материалов и изделий электронной техники» Центра НТИ СПбПУ, кандидат технических наук Артём Осипов у установки плазмохимического травления

Кроме формирования наноструктур, на установке плазмохимического травления можно создавать кремниевые мембраны, которые могут использоваться, например, в судовых датчиках избыточного давления.

Созданные на установке плазмохимического травления мембраны превосходят по надежности и чувствительности мембраны, изготовленные методами жидкостного или лазерного травления.

То есть, мы видим, что разработанные установки нацелены на изготовление не микросхем, а каких-то отдельных элементов микроэлектроники и не только. Это подтверждается и заключительным абзацем:

Применение безмасочной нанолитографии в совокупности с плазмохимическим травлением возможно для решения широкого спектра задач. Например, в радиолокационном оборудовании возможно увеличение срока службы приборов более чем в 20 раз. А применение технологии при производстве солнечных панелей позволяет уменьшить их вес и габариты, дает возможность работы в пасмурную погоду при сохранении КПД.

При этом мы не видим никаких технических подробностей, хотя бы в общих чертах объясняющих подобные заявления.

Например, у меня сразу же возник вопрос, а разве КПД обычных солнечных батарей меняется в зависимости от пасмурности? Ведь количество электричества падает не из-за падения КПД батареи, а из-за падения количества света, попадающего на неё.

Оказывается, да, КПД батареи падает, если меняются некоторые физические свойства распространения света, что и происходит именно в пасмурную погоду, но об этом в новости даже не упомянуто. Об этом я расскажу чуть ниже. Также я расскажу, срок службы каких именно приборов увеличивается в 20 раз и за счёт чего.

В СМИ ровно год назад уже была публикация на ту же тему, в которой в интервью с руководителем проекта Артёмом Осиповым приводилось намного больше технических подробностей. Осипов, в частности, сказал:

Классическим подходом для создания солнечных элементов является планарная технология, где в качестве основы солнечного элемента используют полированные кремниевые пластины. Основой солнечного элемента команды из СПбПУ является кремниевая пластина с созданным на ней рельефом.

В наших исследованиях мы используем монокристаллический кремний. С помощью воздействия плазмы удаляем лишний материал, который не защищен полистирольными наносферами. В результате на поверхности подложки образуется рельеф, выглядящий как массив цилиндров, усеченных конусов или конусов, в зависимости от параметров плазмы, которые можно регулировать и подконтрольно создавать структуры различной формы.

Созданный рельеф повышает коэффициент поглощения света, так как солнечные лучи попадают в ловушку между столбиками.

Преимущество солнечного элемента на вертикальном p-i-n-переходе в том, что при попадании солнечного света между столбиками он как будто попадает в ловушку и несколько раз преломляется, что повышает коэффициент поглощения света и увеличивает КПД солнечной батареи. Кроме того, такие вертикальные наностолбики более эффективно поглощают рассеянный свет, поэтому панели на их основе работают даже в пасмурную погоду.

КПД солнечного элемента зависит от размера наностолбиков, который мы подбираем экспериментально. Для того чтобы получить оптимальные значения, нужно задать правильные размеры и плотность структур. Эти параметры мы можем контролировать в одной установке.

То есть, мы видим вполне специальное назначение описываемого литографического оборудования. В данном случае — для создания в элементах солнечных панелей вертикальных светочувствительных p-i-n-переходов (буква i обозначает полупроводник не с электронной и не с дырочной, а с собственной электропроводностью).

При этом мы получаем разъяснение и про КПД. Оказывается, под сохранением КПД в пасмурную погоду понималось его сохранение в условиях рассеянного освещения.

Разгадку получает и фраза об увеличении срока службы неких приборов в радиолокационном оборудовании более чем в 20 раз:

Кремниевые наноиглы, которые изготавливаются при помощи установки плазмохимического травления, представляют особый интерес для создания электровакуумных приборов.

Электровакуумные приборы используются для генерации, усиления и преобразования электромагнитной энергии. Несмотря на то что на сегодняшний день большинство электронных устройств работает на транзисторах, есть определенные отрасли промышленности, в которых невозможна замена электровакуумных ламп благодаря их уникальным свойствам. Среди них широкий частотный диапазон и усиление сигнала без его искажения.

В данном случае наноиглы являются автоэмиссионным катодом, то есть испускают электроны под действием электрического поля без предварительного возбуждения электронов, в отличие от термоэмиссионных катодов.

Электровакуумные приборы на холодных катодах могут применяться в спутниковых передатчиках, томографах, самолетах, центрах связи, радиотехнике и телевидении. Разработанные в СПбПУ холодные катоды на основе кремниевых наноигл превосходят по значениям тока созданные на сегодняшний день аналоги на 25%.

Сейчас почти везде стоят термоэмиссионные катоды, которые имеют малый срок службы (холодные катоды служат более чем в 40 раз дольше) и низкое быстродействие. По мнению экспертов, замена этих катодов на холодные может произвести технологический прорыв с точки зрения улучшения характеристик широкого спектра приборов.

То есть, мы видим второе применение для этого литографического комплекса — изготовление игл для катодов электровакуумных приборов.

По-видимому, всё это оборудование разрабатывалось для формирования исключительно столбчатых регулярных структур на подложке методом наносферной литографии, и плохо подходит для изготовления чего-то другого.

Наносферная литография (НЛ) — экономичный метод получения однослойных гексагонально плотно упакованных или аналогичных структур наноразмерных элементов. Как правило, НЛ применяет плоские упорядоченные массивы латексных или кремнеземных сфер нанометрового размера в качестве литографических масок для изготовления массивов наночастиц.

НЛ использует самосборные монослои сфер (обычно изготовленные из полистирола, часто выпускаемые в продаже в виде водной суспензии) в качестве испарительных масок.

Технологии наносферной литографии, старая, осуществлявшаяся при сверхнизких температурах и новая, для «комнатных» температур и существенно оптимизированная:

а — технология создания наностолбиков с помощью Cryo процесса плазмохимического травления, б – технология создания наностолбиков с помощью плазмохимического травления при «комнатной» температуре

Полистирольные наносферы под микроскопом выглядят так:

Внешний вид полистирольных наносфер, массив из которых является защитным покрытием для последующего процесса плазмохимического травления

Судя по всему, бесшаблонность литографа проявляется в том, что никакой шаблон ему и не нужен. Регулярная структура получается и без шаблона за счёт самоорганизации наносфер, которые в дальнейшем и формируют столбики при травлении. Я тут вообще не вижу литографа, как отдельной единицы. Вполне возможно, что это вообще придумка журналистов, пытавшихся всунуть услышанное в привычный им шаблон.

Так что никакого литографа в привычном для нас понимании, экспонирующего на резист рисунок, тут нет. Осуществляется нанесение массива наносфер на пластину методом центрифугирования, после чего происходит травление в соответствующей установке.

Кстати, проект специалистов СПбПУ поддержан программой Минобрнауки России «Приоритет 2030» (реализуется в рамках нацпроекта «Наука и университеты»).

В общем, не стоит сильно возбуждаться по этому поводу. Да, разработка, несомненно, крайне полезная. Но это не наше любимое литографическое оборудование для производства микропроцессоров. Это оборудование для изготовления регулярных структур из столбиков.

Наше любимое ещё в разработке — на 350 нм и на 130 нм. Ну и с рентгеновским литографом дела идут. Так что ждём и по мере сил помогаем.

Оригинал публикации: https://dzen.ru/a/ZR1yE3avM0Y2aaqB

Об авторе: Специалист в области отечественной микроэлектроники, ведёт свой тематический канал «Электромозг» о российской микроэлектронике на платформе «Дзен».