Когда в мая 2009 года один из мировых лидеров в производстве фотолитографического оборудования для полупроводниковой промышленности, японский технологический гигант Nikon, заявил о «приостановке разработки некоторых из своих инструментов EUV фотолитографии», стало ясно, что японский производитель сошёл с дистанции, и теперь рынок этого ключевого оборудования (EUV = экстремальный ультрафиолет) для производства передовых микрочипов будет безраздельно принадлежать его единственному конкуренту, голландской компании ASML.
Интригу в произошедшее добавляло то, что буквально несколькими месяцами ранее сам Nikon не уставал делать заявления, преисполненные оптимизма по-поводу скорого запуска производства таких машин. И заявлений не безосновательных: прототипы уже были построены и проходили испытания. Пошло насмарку целое десятилетие упорного труда и колоссальных финансовых вложений, причём не только одного Nikon, но и по сути всей японской высокотехнологической отрасли. Давайте проанализируем, как такое могло случиться.
EUV фотолитография безусловно является одной из самых передовых технологий нашего времени. Именно EUV машины переносят чертежи интегральных схем с фотошаблонов на кремниевые пластины. Причём делают они это в невероятном масштабе и с невероятной точностью. Миллиарды транзисторов, размещённые на пластинке площадью 1 квадратный сантиметр, должны благодарить за это световой луч с длиной волны 13,5 нанометров (в диапазоне экстремального ультрафиолета), который сумел их «нарисовать». Нужно ли говорить, что такие машины чрезвычайно дороги (стоимость каждой машины измеряется сотнями миллионов долларов), а бизнес по их производству чрезвычайно выгодное занятие.
Мировым монополистом по этой части является голландская компания ASML. Всвязи с чем возникает ряд вопросов. И прежде всего: почему у ASML монополия? Ведь это противоречит интересам всей мировой микроэлектроники. Несусветные цены на это оборудование напрямую влияют на стоимость микрочипов, а стало быть и на стоимость передовых смартфонов, ноутбуков, серверов и прочей электронной техники, в которой такие чипы установлены. Второй вопрос: как такое в принципе могло получиться у голландской компании? Понятно, что Нидерланды — вполне развитая в технологическом плане страна: можно вспомнить знаменитый Philips. И всё же до таких мировых гигантов по части электроники как США или Япония ей очень и очнь далеко.
История прикладной EUV фотолитографии началась отнюдь не в Нидерландах: она ведёт свой отсчёт с 1986 года, с выступления исследователя японской компании NTT Хиро Киноситы на ежегодном собрании Японского общества прикладной оптики. К этому времени г-н Киносита уже спроецировал первые изображения EUV, взяв за основу исследования в области многослойных зеркал, проведённые в Советском Союзе десятью годами ранее.
Следует отметить, что в то время бал на мировом рынке фотолитографического оборудовании правили два японских производителя: Nikon и Canon. Они занимали около 70% рынка, существенно опережая американских конкурентов: Perkin-Elmer и GCA. Ну а об ASML, которая была основана всего двумя годами ранее, в 1984 году (совместное предприятие Philips и голландского производителя оборудования ASM), на тот момент вообще знали очень немногие. В то время фотолитографы использовали в качестве источника ультрафиолетового света ртутные лампы, и все производители активно готовились к переходу на DUV фотолитографы (DUV = глубокий ультрафиолет) с эксимерным лазером KrF (фторид криптона) в качестве источника света с длиной волны 248 нм.
Свой первый DUV фотолитограф Nikon представил в 1988 году, тремя годами ранее, чем это удалось сделать ASML. А в области фотолитографии следующего поколения: иммерсионной, в качестве дополнительной линзы использующей очищенную воду и работающей с длиной волны 193 нм, генерируемой ArF лазером (фторид аргона), Nikon по праву считается главным изобретателем (недаром передовики европейской фотолитографии, ASML и немецкий оптический гигант Carl Zeiss, по сей день регулярно выплачивают Nikon многомиллионные суммы всвязи с использованием иммерсионных DUV технологий). В общем, ни у японской, ни у мировой общественности не было особых сомнений в том, кто именно в будущем возглавит переход на новую EUV технологию.
Но выступление Хиро Киноситы достигло отнюдь не только японских ушей. Американцы тут же оценили открывающиеся перспективы и увидели в этом шанс обойти японцев на технологическом повороте. Ряд лабораторий при американском Министерстве энергетики получили соответствующее финансирование и провели значительные фундаментальные исследования в этой области. В 1997 году в США учреждается консорциум ведущих отраслевых компаний: Intel, AMD и Motorola, к которому на контрактной основе присоединяется государственная Virtual National Laboratory, созданная из трёх лабораторий при Министерстве энергетики и располагающая результатами их фундаментальных исследований.
Консорциум EUV LLC (Extreme Ultraviolet Limited Liability Company) продекларировал свою задачу: разработать технологию EUV фотолитографии с целью производства интегральных схем по техпроцессу менее 0,1 микрона, что должно позволить производить в сто раз более мощные микропроцессоры и в тысячу раз более ёмкие чипы памяти. Компании-учредители заявили о намерении обеспечить 250 миллионов долларов частного финансирования в течение следующих трех лет в разработку литографии экстремального ультрафиолета для коммерческого производства компьютерных чипов.
Вокруг консорциума сложилась целая экосистема из заинтересованных научных и промышленных организаций, в числе которых были такие поставщики оборудования, технологий и компонентов для полупроводникового производства как SVG (Silicon Valley Group), к тому времени купившая подразделение литографов знаменитой Perkin-Elmer, ASML, Ultratech Steppers, Tinsley Laboratories, Integrated Solutions. Следует отметить, что практически все организации были американскими из-за строгих ограничений для иностранных компаний. Для того, чтобы голландская ASML была допущена в проект в качестве потенциального производителя будущих EUV литографов наряду с американской SVG, потребовались многочисленные бюрократические согласования. Позже ASML разрешили приобрести ведущего американского производителя фотолитографов SVG (который в свою очередь уже владел Tinsley Laboratories, ведущим производителем прецизионной оптики). Так голландская компания в конечном итоге и стала единственным производителем EUV оборудования, разработанного по большей части усилиями американского консорциума.
А что же японцы? Дело в том, что в отличие от американцев, всю перспективу открытия своего соотечественника Хиро Киноситы японские научные и промышленные круги сразу оценить по достоинству не сумели. В Японии в это время шли исследования по самым разным направлениям литографии: от электронно-лучевой (прямая запись электронным лучом без использования фотомасок) до ионно-лучевой (вместо электронов используются ионы). Так что новинка Киноситы была воспринята лишь в качестве очередной гипотезы. Поэтому японцы с большим удивлением наблюдали за тем, как в США разворачивается целая национальная программа по этому поводу. Поскольку самих японцев в эту программу не пригласили (сотрудничество с японскими фирмами будет носить весьма поверхностный характер), стало ясно, против кого, в частности, эта программа направлена. Японцы бросились вдогонку.
В 1998 году Министерство международной торговли и промышленности Японии дало старт собственной программе EUV литографии: был учреждён правительственный исследовательский консорциум ASET (Association of super advanced electronics technologies = Ассоциация сверхпередовых электронных технологий). Однако организция, сопоставимая по своему размаху с американским консорциумом EUV LLC, в Японии появилась только в 2001 году: Extreme Ultraviolet Lithography System Development Association (EUVA). Ассоциация EUVA прежде всего сосредоточилась на разработке источника EUV излучения. В её состав вошли производители фотолитографов Nikon и Canon, производители компонентов USCIO, Gigaphoton и Komatsu, а также ряд ведущих технических университетов.
В конце концов дело пошло на лад: компания Rigaku, действовавшая под эгидой ассоциации ASET, разработала многослойную оптику для EUV литографии, а ассоциация EUVA — источник EUV излучения. С разработкой продуктов «чистой химии» и тестировочного оборудования (в рамках специально созданной для этого ассоциации MIRAI) тоже был порядок.
Следует отметить, что в это время сформировался ещё один «центр силы» мировой фотолитографии: в Европе. Пресловутая ASML в 1998 году создала европейский консорциум НИОКР под названием EUCLIDES (Extreme UV Concept Lithography Development System) совместно с немецким оптическим гигантом Carl Zeiss и британским производителем синхротронных источников света Oxford Instruments. C консорциумом сотрудничали практически все профильные исследовательские организации того времени: голландские Philips Research и Институт физики плазмы FOM-Rijnhuizen, немецкий Национальный метрологический институт PTB, немецкий Институт Фраунгофера по материаловедению и лучевым технологиям (Fraunhofer IWS) и многие другие. Другое дело, что уже в 1999 году европейский EUCLIDES «объединил свои усилия» с американским EUV LLC.
ASML создаёт первые прототипы своих EUV литографов в 2006 году: одна машина была отправлена для испытаний в бельгийский институт IMEC, другая в США, в Колледж наномасштабной науки и инженерии SUNY. В 2008 году SUNY впервые в мире запускает полномасштабное производство тестовых EUV чипов, а в 2010 году ASML отправляет первую предсерийную машину EUV TWINSCAN NXE:3100 в Южную Корею, в исследовательский центр Samsung.
Nikon несколько отстаёт от ASML, но в целом дела у него идут совсем неплохо. В 2007 году Nikon уже эксплуатирует два альфа-инструмента EUV: EUV 1 и EUV 2. Одна из машин работает в японском консорциуме по НИОКР чипов SELETE. Другая — на одной из полупроводниковых фабрик в Японии. В марте 2009 года Nikon заявляет, что разработка предсерийной машины идёт полным ходом, и что ориентировочная дата её поставки — 2012 год. Учитывая, что первый коммерческий чип, изготовленный Samsung с импользованием EUV литографа ASML, появится только в 2019 году (произведённый по техпроцессу 7 нм мобильный процессор Samsung Exynos 9825), можно сказать, что отработка новых техпроцессов заняла не меньше времени, чем разработка самих фотолитографов. На этом фоне пара лет отставания Nikon вовсе не выглядела критической.
Так что заявление Nikon о выходе из EUV проекта было полной неожиданностью как для японской, так и для международной общественности. Проект в области EUV литографии компании Canon, которая на тот момент выглядела в этой области значительно скромнее своего коллеги, после этого также тихо «сошёл на нет». Хотя аргументом в пользу решения Canon может служить то, что японская компания к этому времени всерьёз увлеклась другой технологией: наноимпринтной фотолитографией (схемы штампуются непосредственно на полупроводниковых пластинах). Учитывая, какие перспективы сейчас прочат этой технологии, возможно Canon и не ошиблась, отказавшись от EUV.
Но почему так поступил Nikon? Видимых причин попросту нет. Финансы? Nikon по сей день одна из самых процветающих японских компаний мирового уровня, к тому же единственный конкурент ASML в поставке иммерсионных фотолитографов. Да и японское государство бедным никак не назовёшь. Почему в таком случае оно не подставило плечо в столь престижной для любой страны работе? Может быть, отставание в технологиях? Тоже нет. Многие японские технологии, созданные во-время работы над EUV программой, по сей день лучшие в мире. Чего только стоят японские фоторезисты и тестировочное оборудование для EUV фотолитографии. Пожалуй, причины этого решения можно смело отнести к одной из тех «загадок века», ответ на которые станет известен только через много лет. Если вообще станет известен.
