Современные микрочипы могут содержать многие миллиарды транзисторов на кусочке кремния площадью один квадратный сантиметр. По своей вычислительной мощности они оставили далеко позади суперкомпьютеры прошлого века, блоки которых занимали целые этажи научных и производственных помещений.
Самые передовые полупроводниковые устройства сегодня изготавливаются при помощи фотолитографов экстремального ультрафиолета (EUV = Extremal Ultraviolet), которые переносят чертежи интегральных схем с фотошаблонов на кремниевые пластины. В качестве «инструмента рисования» такие машины используют световую волну длиной 13,5 нанометров. Каждая из этих машин весит десятки, а то и сотни тонн, а стоимость измеряется в сотнях миллионов долларов.
Но без этого оборудования не было бы ни самых «продвинутых» смартфонов, ноутбуков и смарт-часов, ни столь популярных сейчас графических процессоров искусственного интеллекта. Ведь самые мощные и быстрые микрочипы по передовым техпроцессам от 12 нм и до самым «тонких» на сегодня 3 нм, изготавливаются именно при помощи EUV фотолитографов.
Единственным в мире производителем такого оборудования является голландская научно-производственная компания ASML, ведущая своё начало от известного голландского гиганта электроники Philips. Голландскую компанию можно охарактеризовать как разработчика и интегратора. ASML не только разрабатывает архитектуру систем в целом, но и создала целый ряд их ключевых компонентов, таких как источники EUV излучения.
Как интегратор голландская компания собирает оборудование из множества компонентов, поступающих от самых разных поставщиков. Ключевую роль здесь играют немецкие производители: Trumpf (лазеры) и Carl Zeiss (оптические системы). Плазменный источнике ASML выбрасывает в вакуумную камеру 50 тысяч капель олова в секунду, где под действием импульсов лазера Trumpf оловянная плазма генерирует EUV излучение, которое через систему зеркал производства Carl Zeiss и переносит «узор» интегральнойсхемы с фотошаблона на полупроводниковую пластину.
Оптическая система использует систему зеркал, поскольку столь коротковолновое излучение как EUV традиционными линзами попросту поглощается. Для работы EUV фотолитографа требуется вакуум, так как воздух это излучение также поглощает. Зеркала здесь используются тоже особенные: многослойные, изготовленные с атомарной точностью. Отражающее покрытие таких зеркал состоит из более чем ста слоёв, каждый толщиной всего несколько нанометров. Столь совершенные отражающие покрытия были изготовлены «Институтом прикладной оптики и точного машиностроения Фраунгофера», ведущего немецкого научно-исследовательского учреждения в этой области.
Ответственный за EUV проект со стороны Carl Zeiss, доктор Петера Кюрц, сделал интересное заявление: « Если бы одно из наших зеркал было размером с Германию, самые большие отклонения от идеальной формы составили бы всего 0,1 мм. Это самые точные зеркала в мире». И ещё: «Исполнительные механизмы и датчики в проекционной оптике ZEISS работают настолько точно, что с помощью этого зеркала можно перенаправить лазерный луч так, чтобы он попал в мяч для гольфа на поверхности Луны — это расстояние почти в 400000 километров».
Серийное производство EUV литографических машин началось в 2018 году (модель NXE 3400). Первым чипом, изготовленыым по этой технологии, стал мобильный процессор Samsung Exynos 9825 (техпроцесс 7 нм): покупатели смартфонов Samsung Galaxy Note 10 и Galaxy Note 10+ первыми получили возможность опробовать новинку. Ну а последнее достижение голландского производителя в этой области: EUV установка с высокой числовой апертурой «EXE:5000». Это оборудование позволяет производить микрочипы по ультрасовременным 2 нм техпроцессам. Первая серийная машина была отправлена в США, на завод компании Intel, в январе текущего года.
Следует отметить, что именно наша страна стояла у истоков EUV фотолитографии: исследования начались ещё в 70-х годах прошлого века. Голландцы озаботились этой проблематикой только двадцатью годами позже. Поэтому в начале двухтысячных ASML обратилась за помощью к российским учёным: в «Институт спектроскопии РАН» (создал прототип источника EUV излучения на основе электрического разряда в парах олова) и в «Институт физики микроструктур РАН» (разработал технологию изготовления многослойных зеркал). Ну а о том, сколько наших специалистов переехало работать в ASML и прочие европейские профильные организации, и говорить не приходится.
В наши дни всё те же «Институт спектроскопии РАН», «Институт физики микроструктур РАН» и ещё ряд организаций разрабатывают наш отечественный фотолитограф глубокого ультрафиолета. Речь идёт о готовности к 2030 году как ориентире. Конечно, вся отечественная электроника возлагает на это большие надежды. Ведь путь к высоким технологиям 21 века проходит именно через эту машину.
