СПЕЦИАЛИЗИРУЕТСЯ НА ПРОИЗВОДСТВЕ СОВРЕМЕННОГО ЛИТОГРАФИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ И ПЕРЕДОВЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ПРЕЖДЕ ВСЕГО ДЛЯ СЕКТОРОВ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

И это несмотря на некоторые проблемы с поставщиками

ASML, крупнейшая технологическая фирма Европы, которая доминирует на рынке литографии чипов, начнёт поставки оборудования нового поколения в этом году, несмотря на некоторые задержки с поставщиками, о чём сообщил генеральный директор Питер Веннинк.

Литографические машины на базе технологии High NA EUV размером с грузовик и стоимостью более 300 миллионов евро каждая необходимы ведущим производителям микросхем, чтобы они могли производить меньшие и более качественные чипы в ближайшее десятилетие.

В данный момент TSMC, Intel, Samsung и производители микросхем памяти SK Hynix и Micron используют текущее оборудование ASML для литографии в экстремальном ультрафиолете. Такие машины по размеру сравнимы с автобусом и стоят более 200 миллионов евро.

Под давлением США правительство Нидерландов не выдаёт лицензии ASML на экспорт подобных машин китайским производителям микросхем. Клиенты будут экспериментировать с новым оборудованием High NA EUV, прежде чем запустить его в коммерческое производство.

Отдельно Веннинк подтвердил, что в 2023 году ASML получит больше дохода от продаж литографических машин на технологии DUV предыдущего поколения, чем от машин EUV. A SML прогнозирует рост продаж на 30% в этом году, отчасти из-за высокого спроса со стороны китайских клиентов на старые машины.

Веннинк сказал, что в 2024 году ситуация должна измениться, поскольку новые заводы по производству микросхем в Аризоне и Тайване будут готовы получить оборудование EUV и захотят использовать его на фоне растущего спроса на высококачественные чипы искусственного интеллекта.

6 сентября 2023 в 10:29

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?

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.

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.

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.

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.

Китай

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.

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.

Фото микропроцессора Apple/, предназначенного для первого Apple Macintosh.

Технологический процесс полупроводникового производства — технологический процесс по изготовлению полупроводниковых (п/п) изделий и материалов; часть производственного процесса по изготовлению п/п изделий (транзисторов, диодов и т. п.); состоит из: последовательности технологических (обработка, сборка) и контрольных операций.

При производстве п/п изделий применяется фотолитография и литографическое оборудование. Разрешающая способность (в мкм и нм) этого оборудования (т. н. проектные нормы) и определяет название применяемого конкретного технологического процесса.

Совершенствование технологии и пропорциональное уменьшение размеров п/п структур способствуют улучшению характеристик (размеры, энергопотребление, рабочие частоты, стоимость) полупроводниковых приборов (микросхем, процессоров, микроконтроллеров и т. д.). Особую значимость это имеет для процессорных ядер, в аспектах потребления электроэнергии и повышения производительности, поэтому ниже указаны процессоры (ядра) массового производства на данном техпроцессе.

Этапы технологического процесса при производстве микросхем

Пластина монокристаллического кремния с готовыми микросхемами

Технологический процесс производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (микропроцессоров, модулей памяти и др.) включает нижеследующие операции.

Для выполнения требований электронной производственной гигиены строят особо чистые помещения («чистые комнаты»), в которых люди могут находиться только в специальной одежде

Технологии производства полупроводниковой продукции с субмикронными размерами элементов основаны на чрезвычайно широком круге сложных физико-химических процессов: получение тонких плёнок термическим и ионно-плазменным распылением в вакууме, механическая обработка пластин производится по 14-му классу чистоты с отклонением от плоскостности не более 1 мкм, широко применяется ультразвук и лазерное излучение, используются отжиг в кислороде и водороде, рабочие температуры при плавлении металлов достигают более 1500 °C, при этом диффузионные печи поддерживают температуру с точностью 0,5 °C, широко применяются опасные химические элементы и соединения (например, белый фосфор).

Прогресс миниатюризации и сравнение размеров техпроцесса с некоторыми микроскопическими объектами и длиной волны видимого света

3 мкм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1975 году Zilog (Z80) и в 1979 году Intel (Intel 8086). Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 3 мкм.

1,5 мкм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому Intel в 1982 году. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 1,5 мкм.

0,8 мкм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в конце 1980-х — начале 1990-х годов компаниями Intel и IBM.

0,6 мкм / 0,5 мкм

Техпроцесс, достигнутый производственными мощностями компаниями Intel и IBM в 1994—1995 годах.

Техпроцессы 1990-х годов

350 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1995—1997 годах ведущими компаниями — производителями микросхем, такими как Intel, IBM, и TSMC. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 0,35 мкм.

250 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1998 году ведущими компаниями — производителями микросхем. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 0,25 мкм.

180 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1999 году ведущими компаниями — производителями микросхем. Соответствует удвоению плотности размещения по отношению к предыдущему техпроцессу 0,25 мкм. Также впервые используются внутренние соединения на основе медных соединений (Copper-based chips) с меньшим сопротивлением, чем у ранее применявшегося алюминия.

Техпроцессы менее 100 нм

Технологический процесс с проектной нормой 90 нм часто используется с технологиями напряженного кремния, а также c новыми диэлектрическими материалами с низкой диэлектрической проницаемостью (en:Low-k dielectric).

45 нм / 40 нм

22 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2009—2012 годам ведущими производителями микросхем. Соответствует удвоению плотности размещения элементов по отношению к предыдущему техпроцессу 32 нм.

По такой технологии производятся (с начала 2012 года):

16 нм / 14 нм

Компания МЦСТ в 2021 году представила 16-нм процессор Эльбрус-16С.

В апреле 2018 года AMD представила процессоры Zen+ на улучшенном 14-нм техпроцессе, условно обозначенном как «12 нм»:

Техпроцессы с 2010-х годов по настоящее время

Основная статья: 7 nm

• Snapdragon 855
• Snapdragon 865
• Exynos 990
• HiSilicon Kirin 980

6 нм / 5 нм

Основная статья: 5 nm

Первым массовым продуктом, произведённым по 5-нм техпроцессу, стал Apple A14, представленный в сентябре 2020 года. В ноябре 2020 года был представлен процессор Apple M1, предназначенный для компьютеров линейки Macintosh.

В сентябре 2022 года был представлен мобильный процессор Apple A16, выпущенный по 4 нанометрам.

1,4 нм / 1 нм

Intel в конце 2022 года заявила что после 3-нм и 1,4-нм техпроцессов будет разрабатывать 1 нм. Атом кремния имеет диаметр 0,24 нанометра, таким образом 1 нанометр соответствует 4 атомам кремния в поперечнике. Однако названия последних поколений техпроцессов являются маркетинговыми и не отражают геометрических размеров транзисторов (хотя и иллюстрируют прогресс увеличения плотности транзисторов в чипе).

«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 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.

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».

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.

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.

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.

По сведениям пресс-службы НЦФМ в России разработан первый проект рентгеновской литографии для производства микросхем. Система будет работать в диапазоне рентгеновского излучения с длиной волны 11,2 нм.

По предварительным оценкам проект рассчитан до 2030 года, но сначала предполагается создать альфа-прототип для обработки производственных операций. Вместе с экспертами в сфере продаж электронных компонентов — компанией «ЗУМ-СМД» рассмотрим новый проект подробнее.