Оборудование для производства микросхем. Технология их создания
Без чего сложно представить существование современного человека? Конечно, без современной техники. Некоторые вещи так вошли в нашу жизнь, так приелись. Интернет, телевизор, микроволновки, холодильники, стиральные машины – без этого сложно представить современный мир и, конечно, себя в нем.
Что делает практически всю сегодняшнюю технику по-настоящему полезной и нужной?
Какое изобретение предоставило прогрессу широчайшие возможности?
Одно из самых незаменимых открытий человека — технология производства микросхем.
Благодаря ей современная техника имеет такие небольшие размеры. Она компактна и удобна.
Все мы знаем, что в доме может уместиться огромное количество вещей, состоящих из микросхем. Многие из них помещаются в кармане брюк и имеют незначительный вес.
Тернистый путь
Чтобы добиться результата и получить микросхему, ученые трудились долгие годы. Начальные схемы имели огромнейшие по нынешним меркам размеры, они были больше и тяжелее холодильника, при ом что современный холодильник не состоит сплошь из сложных и запутанных схем. Ничего подобного! В нем есть одна маленькая, но превосходящая по своей полезности старые и громоздкие. Открытие произвело фурор, дав толчок дальнейшему развитию науки и техники, прорыв был сделан. Оборудование для производства микросхем выпущено.
Оборудование
Производство микросхем является непростой задачей, но благо у человека имеются те технологии, которые максимально упрощают задачу производства. Несмотря на сложность, ежедневно выпускается огромное количество микросхем по всему миру. Они постоянно совершенствуются, приобретают новые особенности и повышенные характеристики. Как же появляются эти маленькие, но умные системы? В этом помогает оборудование для производства микросхем, о котором, собственно, говорится далее.
При создании микросхем используются системы электрохимического осаждения, камеры отмывки, лабораторные окислительные камеры, системы электроосаждения меди, фотолитографическое и другое технологическое оборудование.
Фотолитографическое оборудование является самым дорогим и точным в машиностроении. Оно отвечает за создание изображений на кремниевой подложке для выработки намеченной топологии микросхемы. На тонкий слой материала наносится фоторезист, впоследствии подвергающийся облучению фотошаблоном и оптической системой. В процессе работы оборудования идет уменьшение размеров элементов рисунка.
В системах позиционирования ведущую роль играет линейный электродвигатель и лазерный интерферометр, имеющие часто обратную связь. Но, например, в технологии, разработанной московской лабораторией «Амфора», такая связь отсутствует. Это отечественное оборудование имеет более точное перемещение и плавное повторение с обеих сторон, что исключает возможность люфта.
Специальные фильтры защищают маску от нагревания, исходящего от области глубокого ультрафиолета, перенося температуру за 1000 градусов на протяжении долгих месяцев работы.
Низкоэнергетичные ионы осваивают в нанесении на многослойные покрытия. Ранее эта работа выполнялась исключительно методом магнетронного распыления.
Технология производства микросхем
Начинается весь процесс создания с подбора полупроводниковых кристаллов. Самым актуальным является кремний. Тонкую полупроводниковую пластину начищают до возникновения зеркального отображения в ней. В дальнейшем обязательным этапом создания будет фотолитография с применением ультрафиолета при нанесении рисунка. В этом помогает станок для производства микросхем.
Что такое микросхема? Это такой многослойный пирожок из тонких кремниевых пластин. На каждую из них нанесен определенный рисунок. Этот самый рисунок и создается на этапе фотолитографии. Пластины осторожно помещают в специальное оборудование с температурой свыше 700 градусов. После обжига их промывают водой.
Процесс создания многослойной пластины занимает до двух недель. Фотолитографию проводят многочисленное количество раз вплоть до достижения необходимого результата.
Создание микросхем в России
Отечественные ученые в этой отрасли также имеют собственные технологии производства цифровых микросхем. По всей стране функционируют заводы соответствующего профиля. На выходе технические характеристики мало чем уступают конкурентам из других стран. Отдают предпочтение российским микросхемам в нескольких государствах. Все благодаря зафиксированной цене, которая меньше, чем у западных производителей.
Необходимые составляющие выпуска качественных микросхем
Микросхемы создаются в помещениях, оборудованных системами, контролирующими чистоту воздуха. На всем этапе создания специальные фильтры собирают информацию и обрабатывают воздух, тем самым делая его чище, чем в операционных. Работники на производстве носят специальные защитные комбинезоны, которые часто оборудованы системой внутренней подачи кислорода.
Производство микросхем является прибыльным бизнесом. Хорошие специалисты в этой области всегда востребованы. Практически вся электроника функционирует за счет микросхем. Ими оснащаются современные автомобили. Космические аппараты не смогли бы функционировать без наличия в них микросхем. Процесс получения регулярно совершенствуется, качество улучшается, возможности расширяются, срок пригодности растет. Микросхемы будут актуальны на протяжении долгих десятков, а то и сотен лет. Главная их задача — приносить пользу на Земле и вне ее.
Как на самом деле делают процессоры? РАЗБОР
Как создаются современные процессоры? Насколько это сложный и интересный процесс и почему так важна некая Экстремальная УФ-литография? В этот раз мы копнули действительно глубоко и готовы рассказать вам об этой магии технологий. Располагайтесь поудобнее, будет интересно.
Вот вам затравочка — 30-килоВаттный лазер в вакууме стреляет по капле олова и превращает ее в плазму — скажете фантастика?
А мы разберемся как это работает и расскажем об одной компании из Европы, которая стоит тенью за всеми гигантами Apple, AMD, Intel, Qualcomm, Samsung и другими и без нее никаких новых процессоров бы и не было. И нет это, к сожалению, не Чебоксарский завод электроники.
Фотолитография
Начнем с простого примера — возьмем прозрачное стекло и нанесем на него какой-то геометрический рисунок, оставив при этом какие-то участки без краски. По сути, сделаем трафарет. Приложим этот кусок стекла к фонарику и включим его. Мы получим ровно тот же рисунок в виде тени, который мы нанесли на кусок стекла.
В производстве процессоров этот кусок стекла с рисунком называется маска. Маска позволяет получить на поверхности любого материала “засвеченные и незасвеченные” участки любой плоской формы.
Хорошо — рисунок на поверхности мы получили, но это всего лишь тень. Теперь надо как-то его там сохранить. Для этого на поверхность кремниевой пластины наносится специальный светочувствительный слой, который называют Фоторезистом. Для простоты мы не будем тут говорить о позитивных и негативных фоторезистах, почему они так реагируют, все-таки мы не на уроке Физической химии. Просто скажем, что это такое вещество, которое меняет свои свойства, когда на него попадает свет на определенной частоте, то есть на определенной длине волны. 
Опять же как и на фотопленке или фотобумаге — специальные слои материалов реагируют на свет!
После того как нужные нам участки на кремнии мы засветили, именно их мы можем убрать, оставив при этом на месте остальные, то есть незасвеченные участки. В итоге мы получили тот рисунок, который и хотели. Это и есть фотолитография!
Конечно, кроме фотолитографии в производстве процессоров участвуют и другие процессы, такие как травление и осаждение, фактически комбинацией этих процессов вместе с фотолитографией транзисторы как-бы печатаются слой за слоем на кремнии.
Технология не новая, почти все процессоры начиная с 1960-х производятся при помощи фотолитографии. Именно эта технология открыла мир полевых транзисторов и путь ко всей современной микроэлектронике.
Но по-настоящему большой скачок в этой области произошел только недавно! С переходом на EUV. И всё из-за длины волны в 13.5 нм. Не переживайте, сейчас объясню!
Длина волны на которой светит наш “фонарик” — это невероятно важный параметр. Именно она и определяет насколько маленьким вы можете получить элементы на кристалле.
Правило максимально простое: Меньше длина волны — больше разрешение, и меньше техпроцесс!
Обратите внимание на картинку. Абсолютно все процессоры начиная с начала 90-х до 2019 года производились с использованием процесса Глубокой УФ-литографии, или DUV литографии. Это то, что было до Экстремальной.
Он основывался на использовании фторид-аргонового лазера, который испускает свет с длиной волны в 193 нанометра. Этот свет лежит в области глубокого ультрафиолета — отсюда и название.
Он проходит через систему линз, маску и попадает на наш кристалл покрытый фоторезистом, создавая необходимый рисунок.
Но у этой технологии тоже были свои ограничения, завязанные на фундаментальных законах физики.
Какой же минимальный техпроцесс возможен? Смотрим на формулу (только не пугайтесь):
Здесь Лямбда — это и есть наша длина волны, а CD — это critical dimension, то есть минимальный размер получаемой структуры. То есть с использованием “старой” DUV литографии можно получить структуры не меньше примерно 50 нм. Но как же это так спросите вы? Ведь производители отлично делали и 14 и 10 нм, а кто-то даже и 7 нм с использованием DUV литографии.
Они пошли на хитрости. Вместо одного засвета через одну единую маску, они стали использовать несколько масок, с разными рисунками, которые дополняют друг-друга. Это процесс получил название множественное экспонирование. Назовем это принципом слоеного пирога!
Да — производители обошли прямые физические ограничения, но физику не обманули!
Появилась серьезная проблема: эти дополнительные шаги сделали производство каждого чипа гораздо дороже, из-за них увеличивается количества брака, есть и другие проблемы.
То есть в теории можно продолжить работать со старой технологией и путем игры с масками и экспонированием (двойная, тройная, четверная экспозиция) уменьшать размеры и дальше, но это сделает процы золотыми. Ведь с каждым слоем процент брака возрастает все выше, а ошибка накапливается!
То есть можно сказать, что DUV — это тупик! Что делать дальше, как уменьшать?
И тут на помощь приходит великая и ужасная технология Экстремальной УФ-литографии, или EUV-литографии!
Посмотрите на фото — оно прекрасно демонстрирует различие двух технологий. Обе получены с использованием 7-нанометрового техпроцесса, но та что слева получена с использованием DUV-литографии и с теми самыми хитростями о которых мы говорили — тройное экспонирование, то есть с поэтапным использованием 3 разных масок. Справа же — технология EUV литографии на 13.5 нанометрах, с использованием одной единственной маски — разница очевидна — границы гораздо четче, лучший контроль геометрии, ну и сам процесс намного быстрее, меньше процент брака, то есть в конце концов дешевле. Вот она дорога в светлое будущее, почему бы сразу так не делать, в чем проблема?
Как работает EUV-литография
Все дело в том, что хоть EUV это та же литография, внутри в деталях все гораздо сложнее и тут ученые и инженеры столкнулись с новыми проблемами!
Сама технология экстремальной УФ-литографии начала разрабатываться в самом начале 2000 годов. В ней используется источник, который излучает свет с длинной волны в 13.5 нанометров — то есть на нижней границе УФ-спектра, близко к рентгену!
В теории этим способом можно создавать структуры уже критических размеров — настолько маленьких, что еще чуть-чуть и на них перестанут действовать законы обычной физики. То есть после 5 нм мы попадаем в квантовый мир!
Но даже эта проблема на данный момент решена. Есть источник — возьми, да и делай себе сколь угодно маленькие процессоры.
Все совсем не так просто!
Проблема таких коротких длин волн в том, что они поглощаются почти всеми материалами, поэтому обычные линзы что были раньше уже не подходят. Что делать?
Для управления таким светом было принято решение создать специальные отражающие зеркальные линзы. И эти линзы должны быть гладкими! Очень гладкими. Практически идеально гладкими!
Вот вам аналогия — растянем линзу до размеров, скажем, Германии, так вот ее поверхность должна быть такой гладкой, что ничего не должно выпирать больше чем на 1 миллиметр. Этот параметр называется шероховатостью линзы и у нужной нам он должен быть меньше 0.5 нанометра. Это уже близко к размерам АТОМА! Кто же сможет подковать блоху?
Конечно, Zeiss — только они на это способны! Да — та самая компания Zeiss, чьи линзы стоят на моем фотике, были в Nokia или во флагманах Sony Xperia.
Одна проблема решена — линзы есть!
Есть и вторая — этот свет рассеивается даже в простом воздухе. Поэтому для того чтобы процесс прошел нормально его надо проводить в вакууме!
Про частички пыли и грязи я вообще молчу — понятно что их там вообще не должно быть. Чистые комнаты на таком производстве на порядки чище, чем операционные в больницах! Люди буквально ходят в скафандрах. Любая, даже самая маленькая частичка грязи, кожи или воздуха может испортить и маску и зеркала!
А что же с источником? Просто поставили специальный лазер на более короткую длину волны и все? Проблема в том, что ни лампочек, ни лазеров, ни каких-либо других нормальных источников света, которые излучают на такой длине волны просто не существует в природе.
И как же тогда получают нужное излучение? Элементарно, Ватсон — нам нужна плазма.
Надо нагреть оловянный пар до температур в 100 раз больших, чем температура поверхности солнца! Всего-то! И за этим стоит почти 2 десятилетия разработок.
В установке для производства процессоров по EUV-литографии, о которой мы поговорим отдельно установлен специальный углекислотный лазер, который опять же может производиться в тандеме всего двух компаний в мире — немецкой фирмой Trumpf и американской Cymer. Этот монстр мощностью в 30 киловатт стреляет по 2 импульса с частотой 50 килогерц.
Лазер попадает в капли олова, первый выстрел фактически плющит и превращает каплю в блин, которая становится легкой мишенью для второго залпа, который ее поджигает. И происходит это 50 тысяч раз в секунду! А образовавшаяся плазма и излучает этот свет в экстремальном УФ спектре.
И естественно, это только самая база, но мы попробовали нарисовать вам картину того насколько это сложный и крутой процесс.
Компания, стоящая за производством всех процессоров
О технологии рассказали, значит ее кто-то придумал и реализовал, но ее разработка оказалась настолько дорогой, что даже крупные гиганты и воротилы не способны потянуть такие бюджеты!
В итоге, чтобы это стало реальностью всем пришлось скинуться — Intel в 2012 году, а TSMC и Samsung где-то в 2015 году приняли участие в общем проекте. Суммарные инвестиции составили, по разным оценкам от 14 до 21 млрд долларов! Из которых почти 10 млрд были вложены в одну единственную нидерландскую компанию ASML. Именно она и стоит за всем производством процессоров в мире по методу EUV-литографии! Вау! Что за ASML и почему мы о ней ничего не слышали? Компания из Нидерландов — что за темная лошадка?
Все дело в том, что ASML создали тот самый инструмент без которого Apple, Самсунг и Intel с AMD фактически как без рук! Речь идет об установке стоимостью более 120 миллионов долларов. Она огромная, 180-тонная, потребляет почти 1 мегаватт электроэнергии, и ей нужно почти 1.5 тонны воды в минуту для охлаждения! Но даже при такой цене очереди на них стоят годами ведь в год этих машин производится несколько десятков штук.
Тут же стоит упомянуть немалый вклад российских умов. Например, один из создателей этой технологии — Банин Вадим Евгеньевич, сейчас директор по разработке в ASML. Также в компании работают и другие наши соотечественники!
Мы выяснили, что эта компания делает одни из самых технологичных девайсов, в котором собраны все знания человечества и на них производят процессоры все IT-гиганты сразу!
Но не только ASML стоит за спиной нам известных IT-гигантов. Их установки состоят из более чем 100 тысяч деталей, которые производятся более чем тысячью компаний по всему миру. Все эти компании связаны друг с другом!
Будущее
Но что же будет дальше! Вы что — думали, что мы оставим вас оставим в дне сегодняшнем? Нет — мы подглядели в будущее! Мы раздобыли информацию что будет после пяти или даже двух нм!
Во-первых, прямо сейчас, пока вы смотрите это видео, TSMC уже штампует новые процессоры для HUAWEI, Apple и Samsung с использованием EUV-литографии, но не на 7 нм, как было с Apple A13 и Kirin 990, а на 5 нм техпроцессе! И этому есть множества подтверждений! И о них мы услышим уже этой осенью. Как вам такое — A14 Bionic будет 5нм! Так же ждем новые Exynos на 5 нм и процессоры Google, о которых мы рассказывали отдельно! Qualcomm наверняка тоже подтянется за ними, но тут мы не располагаем данными!
А во-вторых, и это вообще взрывает мозг, ASML уже заканчивает разработку установок, которые позволят производить процессоры на 2 нанометровом техпроцессе и даже меньше всего через 4-5 лет!
Для этого ребята из нидерландской компании совместно с немецкой Zeiss разработали новые зеркальные линзы, с высокими значениями апертуры. Это анаморфная оптика — она и многое другое позволит увеличить разрешающую способность.
Сам процесс по сути тот же EUV, но с приставкой High-NA EUV. А сами агрегаты будут занимать еще больше места, посмотрите вот так для них делают оптику!
Этот год тяжелый для всех, но в тоже время — посмотрите какими шагами начинают развиваться технологии, все шире и шире. Нас ждут новые процессоры с мощностями, которые нам и не снились.
Кроме этого развиваются совершенно новые типы процессоров такие как NPU — для нейровычислений.
В мире есть несколько «машин цивилизации», а их производитель держит в кулаке весь рынок электроники. Про что речь
В закладки
Мы живём в необычное время, наблюдаем за беспилотными авто, слышим новости о запуске кораблей на Марс и пользуемся мощнейшими гаджетами, которые умещаются в ладони.
За все эти и многие другие радости 21 века ответственна электроника во главе с процессорами, «электронными мозгами», которые обрабатывают команды и контролируют работу гаджетов.
Сейчас я покажу вам главную машину нашей цивилизации, которая создаёт самые передовые, 7-и и 5-и нанометровые процессоры. Таких машин всего несколько в мире, каждая стоит огромных денег, а их производитель способен держать в кулаке практически весь рынок электроники.
Кто создаёт такие машины
Главное здание компании ASML
В Нидерландах есть небольшой город Эйндховен, в котором расположена штаб-квартира компании ASML. В отличие от таких монстров рынка, как Intel или Samsung, о ней мало кто знает.
Однако, именно эта компания может совершить прорыв в области микроэлектроники: ASML является единственным в мире производителем станков для фотолитографии в глубоком ультрафиолете.
Точнее, эта машина называется не станок, а степпер: шаг за шагом этот сложнейший агрегат делает новейшие процессоры с размером полупроводниковых структур до 5 нанометров.
Именно на столько вырастает ваш ноготь за 5 минут.
EUV-степпер в разрезе. Иллюстрация с сайта ASML.
С 1995 года ASML сделала ставку на фотолитографию в глубоком ультрафиолете, и пообещала поставку первых степперов EUV мировым техногигантам к 2007 году.
Однако, первые коммерческие образцы таких машин появились лишь в 2018 году. А уже в 2019 году Samsung выпустил 7-нанометровый процессор Exynos 9825 SoC, сделанный именно на степпере от ASML.
Как работает EUV-машина, и при чём тут «закон Мура»
Фотолитография в глубоком ультрафиолете – самая передовая технология, которая используется при изготовлении полупроводниковых интегральных схем.
Во время работы степпера рисунок с маски чертежа шаг за шагом переносится на различные части полупроводниковой пластины. После каждого шага проводится дополнительная проверка правильности позиционирования.
Ваккуумная камера, один из элементов степпера.
Во время работы степпера внутри каждую секунду несколько высокоэнергетических лазеров на углекислом газе ударяют по 50 000 каплям жидкого олова, которые падают в специальную камеру.
После обработки лазером каждой капли возникает плазма, которая излучает свет нужной длины волны равной 13,5 нанометров. Это невозможно увидеть простым глазом, поэтому вот примерное видео этого процесса:
Далее свет собирается, фокусируется и отражается от маски в ваккуме, чтобы перенести узор на кремниевую пластину.
Закон Мура гласит, что количество компонентов на конкретной площади удваивается примерно каждые два года. Фотолитография в глубоком ультрафиолете позволяет травить всё более мелкие компоненты, увеличивая количество транзисторов на чипе в соответствии с этим законом.
После успешного переноса узора пластина обрабатывается реагентами, чтобы смыть часть фоторезиста и проявить рисунок на пластине.
Затем к кремниевой пластине добавляются примеси для создания полупроводникового эффекта и все стадии повторяются заново до окончания создания структуры микроплаты.
Сколько стоит такая машина и что будет дальше
120 миллионов долларов на одном фото.
Степпер от ASML состоит из 100 000 деталей, стоит около 120 миллионов долларов и поставляется в 40 грузовых контейнерах.
Аналогов продукции ASML просто не существует. На сегодняшний день нидерландская компания является абсолютным монополистом в производстве самых передовых компонентов электроники.
Но даже тут прогресс не стоит на месте: в ASML уже создают новое поколение степперов с лучшей оптикой, которые смогут обрабатывать больше кремниевых пластин в час.
В будущих машинах планируется использовать более мощные лазеры, а частота падения капель олова увеличена с 50 000 до 80 000 Гц. Выпуск первых коммерческих моделей запланирован на 2033 год. [Brookings]
В закладки
«Ситуация критическая». Сможет ли Россия создать передовой литограф для печати микросхем
Разработчик оборудования для печати микросхем Николай Чхало рассказал об импортозамещении в отрасли
— 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?
— Не литография печатает чипы, как многие думают… Чип создается десятками или сотнями операций, литография — только одна из них. Единственное, что делает литография — рисунок в резисте.
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 2022 году появилась информация, что в лабораторных условиях достигнут размер транзистора 0,34 нм…
— 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.
— То есть, сейчас оборудование на «Микроне» сломается… и все?
— 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?
Сейчас — большие надежды на китайцев. Правда, у них самих нет налаженного производства современных литографов. То есть, ситуация критическая.
— А Россия самостоятельно сможет делать передовой литограф? Япония ведь не смогла…
— 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.