В РОССИИ ПРОИЗОШЛА РЕВОЛЮЦИОННАЯ РАЗРАБОТКА В ОБЛАСТИ ПРОЦЕССОРНОЙ ЛИТОГРАФИИ УСПЕШНО СОЗДАНА ПЕРЕДОВАЯ ЛИТОГРАФИЯ ИМЕЮЩАЯ ПОЛНЫЙ КОНТРОЛЬ НАД ПРОИЗВОДСТВОМ МИКРОСХЕМ ИНТЕРЕСНО ЧТО ЕГО СТОИМОСТЬ СОПОСТАВИМА СО СТОИМОСТЬЮ КИТАЙСКОГО АВТОМОБИЛЯ

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

Время на прочтение

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.

Путь к сердцу полупроводниковой фабрики

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.

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.

— Николай Иванович, в Советском Союзе, на заре развития микроэлектроники, в Белорусской ССР производились литографы для печати микросхем. Они пользовались спросом на Юго-Востоке Азии и в восточноевропейских странах. С этого момента прошло 43 года. Белоруссия продолжает выпускать те же литографы. А как изменились принципы печати микросхем в мире с того времени?

— Изменились кардинально. В мире идет борьба за то, чтобы сформировать на пластине максимально маленький объект. Если вы минимизируете элементы, то сможете нарисовать больше транзисторов на пластине. Литография борется именно за это.

Для того чтобы разместить на пластине как можно больше транзисторов, разработчики литографов значительно изменили принципы их построения.

Фото из личного архива

— Какими стали новые принципы?

— Первым делом, еще в конце 1980-х изменилась схема печати — стали одновременно засвечивать не всю маску, а только ее часть. В этом случае аберрация (погрешность) объектива меньше, что обеспечивает лучшее пространственное разрешение. Полное изображение получается за счет согласованного перемещения маски и пластины с резистом (это материал который изменяет свои физико-химические свойства под воздействием излучения, ультрафиолетового или рентгеновского). То есть сканируется часть рисуночка и осуществляется его передача. Это позволило повысить разрешение.

Второе направление — это укорачивание длины волны, переход от ультрафиолетовых ламп к коротковолновым лазерам 248,193 нм, что тоже позволило увеличить пространственное разрешение.

В-третьих, появилась иммерсионная литография, когда область между пластиной и выходом проекционного объектива заполняется иммерсионной жидкостью.

— Как в микроскопе?

— Да. Когда в микроскопе вы подкручиваете объектив, подводя к вашему образцу, — между ним и объектом расстояние очень маленькое, что можно увидеть сбоку. Чем меньше это расстояние, тем лучшее разрешение можно получить. А если это пространство еще заполнить жидкостью, капля из-за натяжения закроет исследуемый образец, и разрешение повысится.

— Эти три шага дали возможность новым литографам напечатать чипы в несколько нанометров?

Как в фотоаппарате: вы ставите пластину, ничего не видите, но физически в тех местах, где свет попал на резист, произошли физико-химические изменения резиста, свойств его в засвеченных местах. Потом идут проявления, как в фотографии. Тут тоже проявили и получили систему полосочек, точек, других фигур, как на маске, только в четыре раза меньше размером. Все, литография на этом закончилась.

— А что делают дальше?

— В эти окошечки либо что-то напыляют, либо травлением создают на пластине твердую маску уже не в резисте, а в кремнии, например. Дальше идут другие операции. После того, как они завершили все операции на этом слое, продиагностировали своим методом, что все у них прошло нормально, еще нужно слоев добавить. Опять резист наносят, опять новую маску вставят в литограф, и литограф рисует новый рисунок.

— Получается многоэтажный «город», только микроэлектронный?

— Да, можно себе представить, что сначала в литографе мы видим пластину – чистое поле. Вы в этом поле собираетесь построить город со своей инфраструктурой – асфальтовыми дорогами, канализацией, электрическими проводами. Город трехмерный, все это располагается на разных высотах.

Литография воспроизводит полный план города, который вы собираетесь строить, в масштабе. С помощью нее можно нарисовать полностью всю схему коммуникаций — какие трубы будут проложены, где будут протянуты электрические провода. То есть, это не просто план – вид сверху. Таким образом, с помощью современных литографов можно создать «электронный город», где количество транзисторов и других компонентов такое, какое невозможно было даже представить себе в 80-х годах.

— Благодаря тем трем шагам, которые вы назвали ранее?

— Есть еще четвертый и пятый шаги. Они помогли зайти за предел того, что позволяет оптика. Четвертый шаг – это технология многократного экспонирования. Она кратно позволяет улучшить разрешение. По этой технологии на пластине один слой рисуется за несколько приемов. Каждый раз наносится разряженный рисунок, но сдвинутый относительно предыдущего на несколько нанометров. Таким образом, удается кратно, до 4-х раз еще уменьшить минимальный размер рисунка. Но это очень сложная технология, которая заметно уменьшает производительность литографического процесса, понижает процент годных изделий. И всем хотелось бы избежать таких сложностей.

И пятый шаг – это переход на рентгеновскую литографию. Там сразу длина волны укоротилась со 193 нм до 13,5 нм. Теперь на самых передовых мировых фабриках TSMC (Тайвань), Samsung (Корея) и Intel (США) при изготовлении критических слоев, которые главным образом и определяют технические характеристики чипа, применяется именно эта технология.

— Вы сказали, что технология ими лишь применяется. А кто ее разработал?

— Голландская компания ASML. Только ее специалисты при участии всего мира, в том числе и российских ученых, сумели это сделать.

— Как получилось, что разрабатывал весь мир, а самый передовые литографы производит только ASML?

— У голландцев были заделы. Компания ASML отделилась от Philips. Концерн Philips чем только ни занимался, — в том числе и производством литографического оборудования, только на ультрафиолетовом диапазоне.

Как только у ASML появились амбициозные планы, чипмейкеры со всего мира стали выделять этой компании большие деньги, так как они верили в перспективу.

Японские Canon и Nikon также пытались эту технологию развивать, но у них ничего не получилось. Они сделали демонстрационную машину, но поняли, что неспособны конкурировать с ASML, и эту тему прикрыли.

— Почему же не получилось у Японии?

— С моей точки зрения, одной из причин является то, что ASML вела эту разработку абсолютно открыто. Компания все свои проблемы объявляла публично, устраивала очень часто открытые рабочие совещания и появлялись люди, которые заявляли: «Я могу решить эту проблему». Таким образом они отобрали лучших специалистов в мире. А Япония все это делала в закрытом режиме.

— А что сейчас пытаются создать специалисты ASML?

— Они разрабатывают машину, разрешение в которой еще повысится. Сейчас – это 13 нм, а на новой машине они хотят получить 8-9 нм. Ради этой машины только один Zeiss (мировой технологический лидер в области оптики и оптоэлектроники) несколько заводов построил, чтобы делать оптику для нее. Масштабы фантастические.

— В лабораторных условиях можно хоть чего достичь. Когда говорят, что достигнуты размеры транзисторов 5 нм, 3 нм, 2 нм, — это не значит, что на литографе удалось нарисовать полоску в 5 нм. Полоски там такие же — 12-13 нм. Сейчас уже под понятием технологии понимается другое. А именно: если вы возьмете площадку 12х12 нм, на ней построите 4 транзистора, то у вас будет чип 3 нм.

— Так где проходит самый-самый передовой рубеж?

— Если говорить о плотности рисунка, ультрафиолетовая литография дает 32 нм, а рентгеновская – 13 нм. С использованием технологии многократного экспонирования получены минимальные размеры 8-9 нм.

— То есть на сколько мы в России отстаем?

— В России самое передовое предприятие из работающих – это завод «Микрон». На «Микроне» технология 180–130 нм, говорится о 90 нм. Это именно рисование. То есть

по разрешению литографии мы отстаем на порядок, а по плотности двумерного рисунка на два порядка.

— Почему раньше, без санкций, мы 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.

— На «Микроне» люди героические. Они решают проблемы, которые кажутся неразрешимыми. Но, конечно, необходимо создавать собственное оборудование. Нам было это очевидно и раньше. Мы в «нулевых» годах об этом непрерывно говорили. Но ответ был один: «Все купим».

— Как же «купим», если нам ни разу ничего передового не продали?

— Не знаю.

Сейчас — большие надежды на китайцев. Правда, у них самих нет налаженного производства современных литографов. То есть, ситуация критическая.

— Это вопрос серьезный. Но история России показывает, что в критической ситуации и бомба, и ракета была сделана исключительно отечественными специалистами. Нужна только политическая воля.

— Получается, что вы, как специалист, сейчас находитесь в этой ключевой точке. Именно вы и ваши сотрудники можете сделать первый отечественный литограф?

— Здесь нужна колоссальная кооперация. Но мы действительно понимаем, как нужно эту работу делать. Институт физики микроструктур РАН долгие годы работал совместно с ASML, мы видели стандарты работы, видели, как строятся литографы. Кроме того, мы тоже вносили свой вклад. У нас больше сотни публикаций, причем большинство в зарубежных журналах, со специалистами ASML больше двадцати совместных патентов.

Поскольку мы понимаем в этой теме, мы видим, где можем обойти проблемы, над которыми ASML бился десятилетиями.

— Кто-то пытается сейчас в нашей стране, кроме вашей группы, предложить проект литографа?

— Для России это очень актуальный вопрос, существуют группы, которые работают в этой области. Но мы в научной кооперации с НЦФМ представили «дорожную карту» развития отечественной литографии.

В рамках этой «дорожной карты» на первый этап — создание критических технологий рентгеновской литографии – мы выделяем 2 года. Это значит, что альфа-машина будет создана в течение двух лет после начала работ. На ней мы надеемся получить через два года разрешение проекционного объектива сразу 32-28 нм. Мы протестируем все основные элементы литографа уже в реальном масштабе. Это короткий срок, но мы это сделаем.

Второй этап — еще два года — создание бета-машины, уже ориентированной на массовое производство, рисование чипов. У нее разрешение тоже будет на уровне до 28 нм. В ASML интеграция от машины до производства заняла шесть лет примерно. Предполагается, что эта машина пройдет все этапы интеграции в линейке, где-то будет использоваться, может быть, а к 2030 году уже начнется выпуск рабочих литографов. Этот литограф сможет выпускать чипы 28 нм, а потом 14 нм и 12 нм. То есть, это вполне современные размеры.

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.

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.

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.