В 2023 году много шума наделал выход флагманского смартфона серии Mate 60 Pro китайской Huawei, оснащённого процессором Kirin 9000S, разработанного китайской компанией HiSilicon, принадлежащей всё той же Huawei. Сенсация заключалась в том, что этот чип был произведён на фабрике китайского производителя полупроводников SMIC (Semiconductor Manufacturing International Corporation) по передовому 7-нанометровому техпроцессу. На тот момент на Западе многие считали, что китайской полупроводниковой промышленности это не под силу.
Выпущенный в прошлом году процессор Kirin 9020, установленный на флагманских телефонах Huawei серии Mate 70 Pro, также был изготовлен по 7 нм техпроцессу. Впрочем, это уже никого не удивило. Более того, отраслевые эксперты предполагали, что чип может быть и 5-нанометровый. Но по-видимому, китайцы пока решили сосредоточиться на отладке 7 нм техпроцесса.
Изначально недоверие к возможностям китайских производителей выпускать столь передовые микрочипы базировалось на том, что такие производители, как тайваньская TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) или южнокорейский Samsung Electronics предпочитают использовать для этого фотолитографические машины экстремального ультрафиолета (EUV). А вот в Китай подобные машины никогда не поставлялись из-за известных ограничений со стороны США (несмотря на то, что ASML, производитель таких машин, компания голландская, в них используется множество американских технологий).
Однако для специалистов не является секретом, что и 5-нанометровые чипы, и тем более 7-нанометровые вполне возможно производить и с использованием менее передовых иммерсионных фотолитографов глубокого ультрафиолета (DUV), которых в Китае предостаточно. Хотя сам Китай такие машины не производит, он в своё время закупил их в большом количестве у ASML. Более того, многие специалисты считают, что производство таких чипов с использованием EUV фотолитографов не обязательно более эффективно, чем с использованием DUV машин.
К примеру, чипы по 5 нм техпроцессу обычно изготавливаются при помощи двойного экспонирования на EUV установке, поскольку для того, чтобы качественно перенести рисунок при помощи одного фотошаблона, не хватает разрешения системы. Поэтому рисунок интегральной схемы распределяется между двумя фотошаблонами, тем самым рисунок каждого шаблона становится менее плотным. Когда оба узора переносятся на полупроводниковую пластину, получается требуемая микросхема. А вот чтобы изготовить чип по 7 нм техпроцессу, разрешения EUV машины вполне хватает и для одинарного экспонирования.
Преимуществом самой передовой на сегодня EUV фотолитографа с высокой числовой апертурой (с болеее крупной оптикой, обеспечивающей лучшее разрешение), является то, что в случае с 5 нм техпроцессом уже достаточно одного фотошаблона. А вот в случае с иммерсионным DUV фотолитографом может потребоваться четырёхкратный шаблон. Хотя в каждом конкретном техпроцессе у того или иного производителя количество фотошаблонов и сеансов экспонирования может различаться.
Иммерсионные DUV (Deep Ultraviolet) фотолитографы используют световое излучение с длиной волны 193 нм (фторид аргона). Фотолитографы экстремального ультрафиолета EUV (Extreme Ultraviolet) как с низкой, так и с высокой числовой апертурой, используют световое излучение с длиной волны 13,5 нм (плазма олова).
Но сама возможность производить 7 и 5-нанометровые микрочипы при помощи иммерсионных DUV фотолитографов особых сомнений у специалистов никогда не вызывала. Китайский SMIC это доказал на уровне серийного производства. Что интересно, вовсе не факт, что более современные системы обеспечивают производство чипов с меньшими издержками. С одной стороны, многошаблонное экспонирование по определению дороже, чем однократное. Но не следует забывать о том, что более передовые литографические машины сами по себе значительно дороже.
К примеру, EUV фотолитограф с низкой числовой апертурой обходится заказчикам примерно в 150 миллионов долларов, а EUV фотолитограф с высокой числовой апертурой — уже в 380 миллионов. Ну а стоимость иммерсионных DUV машин вообще идёт всего на десятки миллионов долларов. Так что с учётом стоимости самих машин итоговая эффективность более современных производственных технологий вовсе не столь однозначна.
Этим можно объяснить, что мировой лидер в производстве микрочипов, тайваньская TSMC, вовсе не спешила закупать новешие фотолитографы с высокой числовой апертурой (high numerical aperture) у ASML. Тайваньцы по сей день производят свои ультрасовременные 3 нм чипы на стандартных машинах с низкой числовой апертурой. Первую High NA EUV машину TSMC получила совем недавно, спустя почти год после того, как такие литографы начала получать американская Intel.
Как бы там ни было, соревнование между самыми разными фотолитографическими машинами продолжается. Японский Canon старается выпустить на рынок оригинальные наноимпринтные фотолитографы (непосредственно штампующие рисунки интегральных схем на полупроводниковую пластину, покрытую фоторезистом), уверяя, что они смогут обеспечить производство чипов по техпроцессам от 5 до 2-х нанометров. Российский институт физики микроструктур РАН разрабатывает мягкий рентгеновский фотолитограф, работающий на оригинальном источнике излучения с длиной волны 11,2 нм (ASML использует световую волну 13,5 нм), что по задумке позволит создать более экономичную машину.
Ряд производителей старается развивать безмасочную фотолитографию (когда роль фотошаблона выполняет набор микроскопических зеркал, который под управлением компьютера может конструировать тот или иной узор). Не прекращается работа над усовершенствованием иммерсионных DUV фотолитографов (в этих машинах используется дополнительная водяная линза, существенно улучшающая разрешение системы). В этом направлении сейчас активно работает японский Nikon.
Экстраординарные усилия прикладывает и Китай: профильные предприятия этой страны, пользуясь многомиллиардной поддержкой государственных «Больших фондов», одновременно работают и над иммерсионными DUV, и над ультрасовременными EUV, и над традиционными «сухими» DUV фотолитографами. Особые надежды китайцы возлагают на двух своих лидеров в области специализированного оборудования: SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment) и Naura Technology. Если в итоге Китай сумеет наладить производство 7-нанометровых чипов, но уже на собственном оборудовании, вот тогда это действительно станет самой настоящей сенсацией.