ЕСТЬ ЛИ В РОССИИ ЛИТОГРАФИЯ

В чём, собственно, проблема?

Да, разумеется, это про последние «Байкалы» и «Эльбрусы». Вообще, например, Эльбрус-4С (65 нм) в Зеленограде даже какое-то время производили, но новые процессоры, которые проектировали под 28 нм техпроцесс, заказывали уже у тайваньской TSMC. А потом почему-то для многих стало неожиданностью, что, оказывается, Тайвань себя Китаем вовсе не считает (на самом деле всё ещё веселей, они наоборот считают себя единственным настоящим Китаем, но сейчас и не об этом тоже). Так или иначе, получилось, что влияние штатов на этот маленький остров оказалось достаточным чтобы они отказались вообще от всех заказов для РФ.

Вот вам и весь «fabless».

Физик Чхало объяснил, почему России никогда не продавали передовые литографы для чипов

России никогда не продавали передовые литографы для печати микросхем, — заявил во время беседы с «Газетой. Ru» главный разработчик прорывного отечественного литографа, создаваемого с участием научной кооперации Национального центра физики и математики (НЦФМ), заведующий отделом многослойной рентгеновской оптики Института физики микроструктур (ИФМ) РАН Николай Чхало.

«Мы и без санкций не могли купить передовые литографы. Нам их никогда не продавали, так как этот процесс всегда находился под контролем американского правительства. Не только сами литографы не продавали, но даже материалы, которые нужны для производства чипов», – объяснил специалист.

Поэтому, по словам Николая Чхало, так важно наладить производство отечественных литографов.

«Нам было это очевидно и раньше. Мы в «нулевых» годах об этом непрерывно говорили. Но ответ был один: «Все купим». Сейчас — большие надежды на китайцев. Правда, у них самих нет налаженного производства современных литографов. То есть, ситуация критическая», – рассказал Чхало.

Подробнее о том, каковы перспективы развития отечественной литографии и сможем ли мы догнать лидеров направления – в интервью «Газеты. Ru».

И установку плазмохимического травления кремния

Ученые Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) создали две установки, которые позволят «решить вопрос технологического суверенитета России в этом направлении в сфере микроэлектроники». Это установка безмасочной нанолитографии и установка плазмохимического травления кремния.

Изображение сгенерировано Midjourney

Первая позволяет получение изображения на подложке без использования маски: такой вариант проще и дешевле традиционного литографа, в котором используется шаблон. Так, отечественная разработка оценена в 5 млн рублей против 10 млрд рублей за иностранную. Ученые разработали ПО для управления литографом и полностью автоматизировали процесс его работы.

Что касается второй установки, то она позволяет создавать кремниевые мембраны. Руководитель научной группы Артем Осипов считает, что отечественные мембраны по надежности и чувствительности превосходят те, что изготавливаются методами жидкостного или лазерного травления.

«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», – отметил Артем Осипов.

Ученые еще будут совершенствовать обе установки. В частности, планируется внедрить в обе машинное обучение.

Российские ученые разработали первый в России проект рентгеновского литографа. Об этом сообщает пресс-служба НЦФМ.

Современные чипы производятся методом фотолитографии. В общем виде на подложку наносят материал, после чего «светят» на него видимым светом, УФ или рентгеновским излучением через специальную маску с узором из отверстий. Под действием излучения материал меняет свойства, и все, что не было проэкспонировано, смывается. Таким образом слой за слоем создается сложное переплетение микроскопических электронных элементов. При этом чем меньше длина волны излучения, тем более эффективные микросхемы можно производить с помощью такого литографа.

Теперь специалисты Института физики микроструктур создали проект первого в России литографа, работающего в диапазоне 11,2 нм (рентгеновские лучи).

«Нами предложен проект высокопроизводительного рентгеновского литографа для производства микросхем по передовым технологическим нормам на основе источника излучения с длиной волны 11,2 нм. У нас есть экспериментальные результаты, указывающие на перспективы создания такого источника излучения на основе ксенона. Под него была разработана оптика с высоким коэффициентом отражения – рутениево-бериллиевые зеркала. В составе зеркальной оптической схемы литографа она будет примерно в 1,5 раза эффективнее того, что создано в зарубежных компаниях», — рассказал физик Николай Чхало, работающий над проектом.

У ученых уже сейчас есть экспериментальные образцы источников рентгеновского излучения и масок, прототип микроскопа для масок в EUV-диапазоне. Однако прежде чем проект станет реальностью, необходимо серьезно доработать системы совмещения и сканирования. По оценкам, проект должен завершиться к 2030 году, а в 2023-2024 годах создадут альфа-прототип для отработки всех операций производства.

Ранее инженеры создали онлайн 3D-модель работающей литиевой батареи.

«Альфа-машина» должна появиться в 2024 году

В Институте прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН) ведётся разработка первой отечественной установки литографии для производства микроэлектроники по современным технологическим процессам.

Сейчас создан демонстрационный образец, который разработчики называют «прототип прототипа». На этой установке получены отдельные изображения на подложках с разрешением до предельных 7 нм. Сейчас в России в промышленных масштабах могут работать с микроструктурами только более 65 нанометров (в основном 90 нм и более). Тем не менее пока говорить о грандиозном прорыве немного рано — нужно пройти три этапа разработки за 6 лет до появления полноценного промышленного оборудования.

В 2024 году должна быть готова «альфа-машина». Уже с этого момента установка станет рабочим оборудованием и будет рассчитана на проведение полного цикла операций. Однако упор на этом этапе будет сделан не на высокую скорость её работы или разрешение, а на полноценную реализацию всех систем. Однако и этого должно быть достаточно, чтобы разработка стала привлекательной для инвесторов и фабрик, особенно с учётом конкурентной стоимости самой установки и её обслуживания.

На втором этапе в 2026 году появится «бета-машина». Системы будут улучшены и усложнены, увеличится разрешение, повысится производительность, многие операции будут роботизированы. Установку уже можно будет применять на масштабных производствах, что и будет сделано — на этом рубеже важно интегрировать её в реальные технологические процессы и отладить, «подтянув» соответствующее оборудование для других этапов производства.

Наконец, на третьем этапе (2026–2028 годы) российский литограф получит более мощный источник излучения, улучшенные системы позиционирования и подачи, станет работать быстро и точно.

Несмотря на то, что отечественный 7-нанометровый техпроцесс будет освоен ещё не скоро, работы тянут на настоящую технологическую революцию — со времён СССР в России нет своего литографического производства, а текущий уровень в 65–90 нм достигнут после приобретения уже ненового иностранного оборудования в конце 2000-х годов. Здесь же речь идёт именно о разработке своего и, что особенно важно, по оригинальной технологии.

Мировой технологический лидер в литографии компания ASML использует систему EUV-литографии уже около 20 лет. Специалисты отмечают сложность данной технологии плюс большие размеры используемого ультрафиолетового источника излучения. У иностранцев фотолитография заточена под массовое производство очень больших объёмов. В России стоит задача не захватить мировой рынок, а первоначально обеспечить запросы своего. Поэтому для российского проекта важно качество. Российские физики уже в этом плане создали демонстратор технологии на другом источнике излучения — рентгеновском. При этом наш источник излучения в разы компактнее и чище в работе, что значительно влияет на стоимость, размеры и сложность оборудования. Оптическая система демонстратора, собранная в ИПФ РАН, уже превосходит все аналоги, существующие в мире на сегодняшний день. А на выходе при равной мощности оборудованию ASML источника излучения российская установка будет в 1,5–2 раза эффективнее того, что создано мировым лидером.

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.

В России готовят производство литографических материалов для выпуска микроэлектроники

Минпромторг заказал разработку и освоение производства литографических материалов для микроэлектронного производства, в частности, фоторезистов. За эту работу ведомство заплатит 1,1 млрд руб. В числе потребителей этих материалов министерство указывает «Микрон» и «НМ-Тех».

Научно-исследовательская
работа

Как выяснил CNews,
Министерство промышленности заказало научно-исследовательскую работу «Разработка
и освоение производства литографических материалов для микроэлектронного
производства». На эти цели из бюджета выделено 1,1 млрд руб., следует из ЕИС «Закупки».

Работе присвоен шифр «Фотолиз». Актуальность ее обусловлена
прекращением поставок фоторезистов и антиотражающих покрытий иностранного
производства для изготовления интегральных
схем при отсутствии российских разработок и производства аналогичных
материалов, отмечается в техническом задании.

Потенциальными потребителями материалов в документе указаны
АО «Микрон» и ООО «НМ-Тех». Работы должны быть выполнены до 12 декабря 2025 г.

Тендер в формате открытого конкурса был опубликован 14
февраля 2023 г. Заявки принимаются до 3 марта 2023 г. Итоги будут подведены 9 марта.

Какие материалы
требуются

В рамках НИР, заказанной Минпромторгом, предполагается
создание фоторезистов для использования в процессе фотолитографии с длинной
волны актиничного лазерного излучения 248 нм.

В России к концу 2025 г. начнут производить фоторезисты

В рамках работ предусмотрена разработка и освоение
производства фоторезистов, а именно марки ФР248-01, ФР248-02, ФР248-03, ФР248-04, ФР248-05 и двух антиотражающих покрытий, а
именно марки ПА248-01 и ПА248-02.

Исполнитель должен проделать не только теоретические и
эскпериментальные работы, но и провести испытания опытных партий фоторезистов,
а также подготовить и освоить их производство. « В процессе выполнения НИР образцы разработанных материалов
должны быть переданы предприятиям и получено заключение по уровню
параметров и применяемости», — отмечается в документах.

Использование в процессе выполнения НИР сырья, материалов и
оборудования иностранного производства должно быть согласовано с Минпромторгом.

Фоторезисты в России

Фоторезисты представляют собой разновидность
светочувствительных полимеров, которые в процессе изготовления микросхем
наносятся на кремниевую пластину. Далее производится экспонирование фоторезиста
литографической системой через окна фотошаблонов, с последующим
«вытравливанием» дорожек на кремниевом кристалле.

Как государство обеспечивает ИТ-отрасль кадрами

В техпроцессах используются лазерные установки с длиной
волны 248 нм или 193 нм. В сочетании со специальными фазосдвигающими
фотошаблонами и иммерсионной технологией (погружение в жидкость), такие
фоторезисты позволяют формировать узлы чипов до 14 нм.

Для работы с фоторезистами необходимо специальное
оборудование. Так, в ноябре 2021 г. C News писал о том, что в России за 5,7 миллиарда создадут фотолитографическое оборудование
для печати процессоров. Работы должны быть выполнены до ноября 2026 г.

В апреле 2022 г. стало известно о планах «Микрона» вдвое увеличить объемы выпускаемых кремниевых пластин, чтобы
победить дефицит отечественных полупроводников в России. Собеседник «Коммерсанта»
тогда отметил, что «Микрон» может столкнуться с нехваткой расходных материалов,
в особенности тех, что поставляли компании из отвернувшиеся от России
государств. В частности, говорилось о фоторезистах, которые ранее
импортировались из стран Европы. А оборудование для дополнительных объемов
собирался закупать на вторичном рынке, отмечал источник издания.

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.

Без вредоносных рассылок: «Азбука вкуса» импортозаместила ИБ-решение

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.

Не всё так плохо, как кажется на первый взгляд

Итак, хорошие новости всё же есть и, в принципе, их достаточно чтоб не впадать в панику, и не вопить что «нас ждёт каменный век», как это сейчас происходит повсеместно в комментариях.

Итак, мы наконец добрались до новости из заголовка. В России наконец-то озаботились разработкой собственных литографов. И это уже не просто разговоры, а два конкурса Минпромторга на разработку отечественных установок для печати микросхем на кремниевых пластинах (первый с уровнем топологии до 130 нм, второй — до 350нм), которые прошли осенью 2021 года и по ним уже определён поставщик.

Минуса тут два — самый очевидный в том, что готовы опытные экземпляры для 130 нм будут только через четыре года, а второе это то что подложки там планируется использовать не больше 200 мм. Понятно, что при плохом сценарии нам ждать минимум ещё лет шесть в лучшем случае до запуска производства на собственном оборудовании. Это, конечно паршиво, но всё же лучше чем ничего.

С другой стороны, в конце 2020-го года стало известно, что Китайский производитель литографических установок Shanghai Micro Electronic Equipment уже к 2023-му году обещает начать производство собственных литографов для 28 нм техпроцесса. Речь про модель SMEE SSA800 и, как подсказывают в комментариях, она сможет создавать топологию вплоть до 7 нм за несколько проходов. Кроме того ещё будет доступна модель SSA900 с нормами 22 нм и, возможно, для России разумно будет пропустить 28 нм, сразу перейдя к 22 нм.

А «степперы» для 90 нм техпроцесса доступны уже сейчас. Таким образом, для каких-то срочных задач мы можем начать строить линии уже сейчас, пусть и на китайском оборудовании, вопрос только в деньгах. Если представить, что в экстренных условиях РФ будет способна построить свои фабрики на китайском оборудовании за два года (а я не вижу объективных причин для обратного), то получается уже к 2025-му году мы сможем производить чипы с 28 нм топологией и это уже не выглядит катастрофой.

Отдельно хочу попросить вас, товарищи, давайте не будем пускаться в размышления в духе «это технологии десятилетней давности, а через три года мы отстанем ещё лет на десять». В реальности всё не так просто и даже у топовых производителей прогресс сейчас существенно замедлился, так что при хорошем сценарии мы, конечно, будем отставать, но уже не так фатально, кроме того у нас наконец-то появится своя база для дальнейшего прогресса. Кроме того, есть существенные аргументы в пользу того, что дефицит полупроводников, который уже всем набил оскомину, не закончится ни в этом году, ни в следующем — в том числе и потому что Россия и Украина были одними из крупнейших поставщиков неона во всём мире. Неон это инертный газ, необходимый для полупроводниковой промышленности, а сейчас с этим экспортом будет понятно что.

Ну а всё-таки, что мы можем производить уже сейчас, если «прям припрёт»?

Чтобы попробовать прикинуть (очень примерно, естественно) сколько продукции можно производить на текущих мощностях, для примера зададимся параметрами того, что мы имеем сейчас.

При таких вводных и выходе годных, условно в 80%, теоретически (!) можно производить до 224 тысяч (!) чипов в месяц. И это, как вы уже, надеюсь, поняли, без учёта микрочипов, которые можно выполнять по более грубым проектным нормам. В принципе, это конечно, не мировые масштабы, но нам и не надо сейчас соревноваться с TSMC, нам бы собственные потребности покрывать для начала.

Upd. В комментариях выразили сомнения в реальности существования подобных производственных мощностей у Микрона. Я и правда не могу это никак подтвердить — в пресс-службе самой компании мне не ответили, а информацию я брал в открытых источниках.

Тут кто-то возразит мол «как же закрыть потребности устаревшим железом, оно же медленное», приводя в пример недавние пассажи «специалистов», которые изрекали перлы в духе «мы удивлены что оно вообще работает». Падение качества ПО — это отдельная больная тема, надеюсь сообществу это хорошо известно. И уж точно не тем ребятам, которые развивают кучу ПО, но ни одно не делают действительно качественным, говорить о том что они удивлены. Я, признаться, до сих пор каждый раз когда пользуюсь их продуктами удивляюсь, что оно каким-то чудом работает.

Нормально пишите — нормально будет.

Обратите внимание, тут не идёт никакой речи об окупаемости (вот, кстати, занимательные расчёты на эту тему). Я надеюсь, до всех уже дошло, что мы сейчас не в том положении и это не та отрасль, в которой вообще приемлемо на данный момент говорить о какой-то прибыли. Лет через пять обсудим этот вопрос.

Кстати, на этом хорошие новости не заканчиваются. Дело в том, что объективно неверно называть оборудование для производства 90-65 нм окончательно устаревшим. Тонкий нюанс заключается в том, что в этом оборудовании используется источник излучения с длиной волны 193 нм, но с помощью различных технологических ухищрений (двойная экспозиция, шаблоны с фазовым сдвигом, иммерсионная литография и т.п.) можно добиться повышения разрешения вплоть до 22 нм, хотя и со значительным снижением процента годных чипов.

Для лучшего понимания ситуации в завершение приведу немного статистики.

Самых свежих данных найти не смог, но на конец 2020-го года распределение производственных мощностей по миру выглядело следующим образом:

Мощность полупроводниковых производств в разных регионах мира (в ежемесячном эквиваленте 200 мм пластин).

Также приведу примеры чипов, на которые мы вынуждены ориентироваться и техпроцессы по которым они изготавливаются, чтобы было хотя бы примерное понимание картины.

* Выбор чипов в таблице почти произволен и ни на что не намекает.

Насколько всё же глубока эта кроличья нора?

Чтобы было понятно насколько это наукоёмкий процесс, рекомендую почитать следующие материалы:

Передовые сканеры для подобных технологий на данный момент производит только нидерландская ASML и свою топовую продукцию они кому попало не продают, т.к. вовсю работают со штатами, а значит под риском санкций ничего продавать ни Китаю, ни России не будут (про то как SMIC пытались купить новую установку и что из этого вышло есть даже отдельная история). Это значит, что быстро нарастить собственное производство Китай тоже не может.

Хуже того, некоторые СМИ сообщают, что американцы уже обращались и к китайским компаниям (в частности SMIC и Lenovo) c просьбой отказать России в сотрудничестве. Но, судя по последней риторике Китая и их отношениями со штатами, гораздо большей проблемой может стать то, что для SMIC сейчас собственный рынок будет приоритетней, чем экспорт в РФ (не забываем про мировой дефицит полупроводников).

Как я уже написал выше — у самой SMIC банально нет возможности быстро создать производство по передовым технологиям. На их фабриках на данный момент доступны следующие техпроцессы (также приведён процент по выручке за третий квартал 2021):

* Данные по мощностям весьма наколеночные (кроме 14/28 нм), поскольку на своём сайте SMIC указывает производительность каждой фабрики и доступный для производства на ней диапазон, по факту там получается несколько больше.

Вообще-то есть сообщения, что SMIC собирается улучшить свою 14 нм линию и в результате они смогут производить чипы по улучшенному техпроцессу, якобы «эквивалентному 8 нм от Samsung», причём всё это без использования оборудования ASML. Только вот по новостям от самой SMIC предназначаться это производство будет для «дешёвых чипов» (надо полагать речь, например, о памяти), а кроме того, эта единственная линия ситуацию никак не изменит и, как можно заключить из текущих объёмов производства, даже без всяких санкций воспользоваться их 14/28 нм нам вряд ли светит, по крайней мере в ближайшее время — Китай будет в первую очередь удовлетворять собственные потребности в полупроводниках.

Кто во всём этом виноват, решите сами. В целом, если осмотреть трезвым взглядом промышленность страны, можно догадаться. Тем не менее, я считаю что невзирая на общую картину не малая в этом вина и тех, кто убеждал людей принимающих решения в том как хорош fabless.

Так или иначе, имеем то что имеем. Чтобы создать производство современных чипов нужны не только литографы, нужно различное вспомогательное оборудование, нужно изготавливать сами маски для этих степперов, что тоже крайне дорого, в конце концов нужно ПО для всего этого, ну и т.п.

Когда в вопросе начинаешь разбираться, выясняется, что какое-то оборудование для производства чипов у РФ всё же есть, но тут очень много всяких «но».

Если судить по открытым данным, фабрик, способных производить чипы по техпроцессам ниже 90 нм у нас в лучшем случае всего пара. Причём одно из них — Crocus Nano Electronics, судя по их сайту, по техпроцессам 90/55 нм может производить только MRAM, что хоть и прикольно само по себе, но применимость подобной памяти, надо полагать, сильно зависит от её особенностей, да и одной памятью всех потребностей никак не закрыть. Вторая фабрика это Микрон с его «ФАБ 200» и 65 нм.

Вообще про Микрон писали, что литограф, который им удалось купить несколько лет назад это PAS 5500/1150C от ASML и в его характеристиках заявлены нормы ≤ 90 нм, но благодаря модернизации удалось получить 65 нм.

Ещё есть бывший «Ангстрем-Т» (ныне «НМ-Тех») на оборудовании которого вроде как была возможность выпускать чипы вплоть до 90 нм. Но после всех злоключений и банкротств ещё непонятно когда эту линию наконец запустят, так что её вообще нет смысла учитывать.

Пусть суммарно Микрон с Крокусом дадут, в лучшем случае, 7000 пластин в месяц. Просто для сравнения одна только Fab-15 у TSMC по некоторым сообщениям может выдавать до 100 000 пластин в месяц (а теперь посмотрите сколько всего у TSMC фабрик и начнёте понимать масштаб проблемы). Причём, это даже без учёта того что у Микрона пластины 200 мм, а у TSMC 300 мм, т.е. разрыв в количестве продукции ещё более существенный, чем может показаться на первый взгляд (иначе говоря там пропасть, а не разрыв, но об этом мы поговорим далее).

Ну и раз уж вспомнили «импортозамещение», несколько лет назад была ещё одна «великолепная» история, связанная с моим любимым Роснано. Помимо «традиционной» масочной фотолитографии, существует ещё перспективное направление безмасочной многолучевой литографии. Там есть свои плюсы и минусы, но в целом технология, похоже, будет развиваться. Так вот, в 2013-м году это самое Роснано вложило 40 млн. евро в компанию Mapper Lithography и если верить рассказу одного из участников процесса, основным условием было только то «что завод будет построен в России». Условие-то замечательное, только вот уже в 2018 компания была признана банкротом, а интеллектуальные права выкуплены ASML. Вот такое у Роснано «инвестирование».

Как можно судить по комментариям, в сообществе сейчас царит почти тотальный пессимизм касательно отечественной полупроводниковой отрасли. В целом, из описанного выше, я думаю, можно понять почему.

Вторичный рынок оборудования

Для полноты картины стоит упомянуть и данный вариант – покупка оборудования на вторичном рынке. Насколько реалистичен такой вариант в ситуации, когда покупка и наладка происходят без одобрения и участия производителя – мне сказать сложно. Но что-то подсказывает, что с учётом высочайшей сложности оборудования – это малореально. И опять-таки, по сути здесь можно вести речь только о Китае, т.к. только там есть в наличии иммерсионные литографы, которые необходимы России (остальные страны официально будут придерживаться политики санкций). Но у Китая, самого находящегося под серьёзными санкциями и испытывающего дефицит передовых мощностей по производству чипов, такого оборудования немного и оно крайне загружено. Мне трудно представить, что в этой ситуации кто-то в Китае возьмёт и отдаст России столь ценное оборудование.

Такова, вкратце, текущая ситуация.

Зеленоградский нанотехнологический центр

В 2021-ом году ЗНТЦ выиграл 2 тендера на разработку отечественных литографов на 350 нм к 2025-ому году и на 130 нм к 2026-ому году. В публичных заявлениях представители ЗНТЦ заявляли об участии минского Планара в кооперации по разработке данного оборудования. Это выглядит вполне логично и почти наверняка упоминание тех же нанометров и сроков в предыдущем пункте – это один и тот же проект.

Опять-таки, опустим степпер на 350 нм и остановимся чуть подробнее на характеристиках 130 нм степпера.

Во-первых, обратим внимание на заявленную цель ОКР:

Целью выполнения ОКР является разработка конструкторской документации с литерой «О», изготовление опытного образца установки проекционного переноса изображений топологического рисунка ИС на пластину (Step&Repeat)  и источников излучения с длинной волны 193 и 248 нм, постановка базовых технологических процессов (БТП) проекционного переноса изображений на пластину (Step&Repeat) с размером минимального конструкционного элемента 130 нм*. Установка предназначена для проекционного переноса изображения фотошаблона на полупроводниковую пластину и мультипликации его на пластине при изготовлении СБИС с проектной топологической нормой 0,13 мкм

Здесь обращает внимание, что заявляется работа степпера на 2-х источниках излучения – 193 и 248 нм.

Далее, посмотрим на заявляемые характеристики разрабатываемого литографа и сравним его с ASML PAS 5500/300C, который имеется в наличии на ЗНТЦ сейчас:

Собственно, невооруженным взглядом видно, что разрабатываемый степпер выглядит аналогом своего голландского собрата, что вполне логично. Также заметен заложенный потенциал в качестве использования ArF источника излучения, дающего возможность в будущем перейти на более низкие 90-65 нм техпроцессы.

Из всей заграницы есть только одна страна, которая потенциально может нам помочь – Китай.

На текущий момент главный (и единственный достоверно известный) производитель литографического оборудования в Китае – это компания Shanghai Microelectronics Equipment. Из представленной на сайте продукции наиболее совершенным литографом является 90 нм модель SSA600/20. Т.е. это примерно соответствует уровню литографического оборудования, которое имеется на данный момент на заводе Микрон.

Правда, тут есть один важный нюанс. В найденной на просторах интернета отчётности SMEE есть данные о выручке с разбиением по классам литографических систем, и выглядят они вот так:

Статистика заканчивается 2019-ым годом. Если она верна, то можно сделать вывод, что по факту основным продаваемым продуктом компании SMEE является i-line степпер на 280 нм. Было некоторое количество продаж KrF-степперов на 110 нм, последние из которых датируются 2014-ым годом. Поставка 90 нм ArF-степперов на момент окончания 2019-го года в отчёте не фигурирует, и никакой достоверной информации о том, работают ли такие степперы на промышленном производстве мне найти не удалось.

Также последние 2 года в китайском интернете активно распространялась информация о разработке иммерсионного литографа SSA800/10W на 28 нм (с потенциалом чуть ли не до 7 нм). Но опять-таки, никакой достоверной информации о том, в каком состоянии находится данная разработка, мне найти не удалось. Есть только сообщения такого рода:

В последнее время в Интернете появились слухи о том, что станок Shanghai Microelectronics с «28-нм литографией» (по слухам, модель SSA800/10W) не прошел национальную приемку по спецпроекту 02 и не сможет быть завершен к концу 2021 года

А также информация, что компания Beijing GuoWang Optical Technology Co. столкнулась с трудностями при введении нового завода, где планировалось производство оптических систем для передовых китайских литографов, и его запуск был перенесён с 2019-го на 2023-ий год.

Резюмируя, на данный момент Китай не имеет в наличии готовых литографов собственной разработки, которые могут помочь России сократить технологическое отставание в области промышленного производства микроэлектроники на более тонких нанометрах. Возможно, что данная ситуация изменится в ближайшие годы, но предсказать развитие событий здесь крайне сложно.

Минский Планар

Предприятие в Минске являлось чуть ли не единственным промышленным производством литографического оборудования в СССР. К счастью, оно смогло сохраниться и дожить до нынешних дней. На текущий момент оно в состоянии производить степперы на 350 нм работающие на ограниченном поле. Подробнее можно почитать здесь.

Литография на 350 нм  — это совершенно не то, что может решить текущие проблемы производства в России, поэтому подробно на этом пункте мы останаваливаться не будем.

По ссылке выше так же упоминается разработка полноформатных степперов на 350 нм и 130 нм с окончанием работ в 2025-2026 годах. Об этом поговорим в следующем пункте.

7 нм от ИПФ/ИФМ РАН

Буквально совсем недавно в российском сегменте сети Интернет прогремела новость о том, что «В России создадут литограф для выпуска чипов с топологией 7 нм».

Новость сопровождалась вот таким схематичным описанием установки:

И вот тут есть некоторые интересные моменты.

Вообще говоря, изначально данную новость я списал на очередную шумиху по поводу безмасочного литографа из п. 3. Казалось бы, то же рентгеновское излучение, те же люди из ИПФ/ИФМ РАН, те же слова о том, что «В России настолько скоростные машины попросту никому не нужны», т.е. речь о невысокой производительности. Но более внимательное рассмотрение вопроса выявило некоторые нестыковки:

Собственно, без более подробной информации или комментариев людей, имеющих непосредственное отношение к данному проекту, трудно сказать, является ли данный 7 нм литограф идейным продолжением НИР из п.3, или всё же мы имеем дело с классическим масочным EUV-литографом, пусть и создаваемого на базе разработок данного НИР. Если последнее, то это выглядит достаточно амбициозно, и если к 2028-ому году действительно удастся создать реальный промышленный EUV-литограф – это будет, несомненно, огромным успехом, т.к. напомню, на текущий момент такие установки в мире делает только ASML.

Ещё интересный момент, что в данном случае в качестве источника излучения выбран газ ксенон. На заре зарождения EUV-литографии газ ксенон считался наиболее перспективным вариантом, но дальнейшие исследования привели индустрию к выбору олова, а промышленые рабочие установки на ксеноне так и не получили билет в жизнь. Чем обусловлен выбор ксенона и каким образом создателям данной литографической установки удалось победить его проблемы — крайне интригующий вопрос.

Путь к сердцу полупроводниковой фабрики

Время на прочтение

Введение санкций против России и, как следствие, отказ компании TSMC исполнять заказы отечественных дизайн-центров, привёли к ситуации, когда вопрос «где и как производить отечественные чипы» стал ребром. Самым передовым, потенциально доступным промышленным техпроцессом в России, является 90 нм, что в большинстве случаев не подходит для производства современной  микроэлектроники. Поэтому, постройка нового завода на территории России, способного создавать чипы на более современных техпроцессах, стала как никогда актуальной. Для осуществления такой задачи необходимо наличие множества специфичных компетенций, химии, оборудования. Но без преувелечения ключевым элементом любой полупроводниковой фабрики является литограф (вернее даже, литографЫ).  Именно характеристики литографа в первую очередь определяют размер техпроцесса, именно литографы являются самым дорогостоящим оборудованием, вокруг которого, по сути, строится завод. В данном обзоре хотелось бы рассмотреть текущую ситуацию с доступностью литографического оборудования в России – что имеется/разрабатывается у нас и что потенциально возможно купить на стороне.

Сначала хотелось бы осветить несколько общих моментов для лучшего понимания ситуации на рынке литографического оборудования. Существует множество моделей литографов и характеристик, определяющих их качество и возможности. Но в контексте рассматриваемой темы нам важно понимать следующие различия.

Во-первых, в индустрии микроэлектроники используется 2 основных вида литографии: фотолитография и электронно-лучевая. В просторечье их часто называют масочная и безмасочная, т.к. в первом случае для нанесения структур на пластину необходимо изготовление специального фотошаблона (маски), тогда как во втором работа происходит непосредственно направленным пучком частиц и маска не требуется. Изготовление фотошаблона (вернее, набора фотошаблонов, т.к. их требуется несколько десятков в зависимости от техпроцесса) вещь достаточно дорогостоящая, для топовых нанометров достигающая миллионов долларов. Поэтому, в теории, фотолитография имеет более высокий ценовой порог входа при производстве чипов. Но на порядок (даже на порядки) большая производительность по сравнению с безмасочными аналогами с лихвой компенсирует этот недостаток. Поэтому, на практике в промышленном производстве используется только фотолитография. Безмасочные литографы используются для специальных применений, научных экспериментов и крайне мелкосерийного производства.

Во-вторых, ключевой параметр любого литографа – это то разрешение, с которым он позволяет формировать структуры на кремниевой (и не только) пластине. В свою очередь, главным параметром, определяющим разрешение, является длина волны, генерируемой источником излучения литографа. Поэтому минимально современные литографы можно условно разделить на следующие классы (по мере возрастания разрешающей способности):

Из открытых источников можно установить, что в России есть как минимум следующие промышленные литографы:

Для производства чипов по техпроцессу 45 нм и ниже обычно уже нужны установки иммерсионной литографии (ArF immersion), для техпроцессов ниже 7 нм – EUV-литографы.  Иммерсионных и EUV-литографов в России, насколько мне известно, в данный момент нет.

Кто в мире производит литографы? Почти 100% рынка производства литографов в денежном выражении занимают 3 игрока: ASML, Голландия (91%), Nikon, Япония (6%), Canon, Япония (3%). Остальные игроки занимают пренебрежимо малую долю. Причём, если мы говорим об иммерсионных литографах, то их в мире производят только 2 компании – ASML и Nikon, распределение их долей выглядит так:

С EUV-литографами всё ещё проще – на данный момент их делает только ASML.

Подводя небольшой итог – производство необходимых России литографов фактически сосредоточено в 2-х странах —  Голландии и Японии, а в случае EUV-литографов – только в Голландии. Понятно, что в текущих условиях приобретение такого оборудования для России у непосредственных производителей невозможно.

Какие в таком случае опции существуют у России?

Вместо заключения

Не следует считать, будто мы находимся в технологическом вакууме. К примеру у нас есть даже собственные разработки в области тех самых рентгеновских лазеров: вот, например, опытная установка в Институте Ядерной Физики в Новосибирске.

Ещё у нас, например, есть MultiClet, тоже весьма интересная разработка (вот статья о том что это такое вообще), хотя новостей от них давно не было (надеюсь у них всё хорошо). На мой взгляд это отличный кандидат для инвестиций.

Моё мнение таково — сейчас наше правительство, наконец должно прозреть. Деньги у нас пока есть, и судя по тому что запад не отказывается от закупок наших углеводородов, по крайней мере какое-то время деньги ещё будут. И если сейчас направить эти деньги в нужное русло — в промышленность, в разработки, на зарплаты инженерам (что особенно важно), то мы можем действительно стать полноценной технологической державой, а не декорацией с артефактами советской цивилизации.

Какое будущее нас ждёт — зависит от нашего с вами подхода, от того что мы будем делать дальше. Я уверен, если все причастные (а где их больше, чем на Хабре?) будут смотреть на это как на вызов — у нас всё получится. Если же вместо этого единственным механизмом регуляции экономики так и останется жонглирование ставкой, а специалистам не начнут наконец-то платить вменяемые зарплаты — тут уж сами додумайте.

P. S. Новому WYSIWYG-редактору я со всей силы желаю сгореть в аду.

Безмасочная литография на 28 нм от МИЭТ

Опять же в конце 2021-го года Минпромторг провёл конкурс:

на право заключения государственного контракта на выполнение научно-исследовательской работы «Разработка установки безмасочной рентгеновской нанолитографии на основе МЭМС динамической маски для формирования наноструктур с размерами от 13 нм и ниже на базе синхротронного и/или плазменного источника», шифр «Рентген-Литограф»

Ссылка на конкурс здесь.

Параметры планируемого к созданию литографа:

Собственно характеристики выглядят многообещающе, по модулю производительности – она крайне низкая, что вполне типично для безмасочных литографов (имеется ввиду без фотошаблонов, о чём было упомянуто в начале статьи, т.к. упоминаемая в НИР динамическая маска на основе МЭМС не является классической фотомаской). Сложно сказать, насколько данные характеристики могут быть улучшены, но в заявленном виде данный литограф не может стать основой современной промышленной полупроводниковой фабрики. Да и статус данной работы в виде НИР, вкупе с короткими сроками, скорее предполагает проведение исследований с созданием экспериментального оборудования, а не разработку готового промышленного решения.

В России создадут собственные литографы, поможет ли это отечественной микроэлектронике?

Дисклэймер

Всё далее изложенное — не более чем моё личное мнение и мои наблюдения. Я хотя и не имею прямого отношения к отрасли, по основному образованию не иначе как «инженер-специалист проектирования и технологии радиоэлектронных средств», а значит в вопросе что-то да понимаю, но, безусловно, могу и заблуждаться, как минимум потому как с профессией напрямую не связан уже много лет.