Поставка полтора года назад ведущим японским специалистом в области оптики Canon cвоего первого коммерческого наноимпринтного фотолитографа FPA-1200NZ2C Техасскому институту электроники вколыхнула всю мировую полупроводниковую промышленность. И понятно почему: фотолитографические машины — это ключевое оборудование, использующееся в производстве микрочипов, к тому же самое технологически сложное и дорогое.
Заявленные японцами технические характеристики машины, обеспечивающие производство чипов по весьма современных техпроцессам 5 нм (а со временем и 2 нм) теоретически могут решительно изменить всю мировую микроэлектронику. Ведь единственные машины, способные сейчас «печатать» столь продвинутые микросхемы — это фотолитографы эстремального ультрафиолета (EUV) производства голландского монополиста ASML.
EUV установки столь дороги (сотни миллионов долларов), сложны в эксплуатации (вакуум) и энергоёмки (1 – 1,5 МВт), что в мире пока всего несколько полупроводниковых предприятий могут себе позволить приобрести такую роскошь: тайваньская TSMC, американский Intel, южнокорейские Samsung Electronics и SK Hynix. А стало быть и производить ультрасовременные микросхемы для передовых смартфонов, компьютеров и облачных серверов способны тоже только они.
А теперь представим, если подобная машина могла бы быть на порядок дешевле, меньше по размерам и значительно энергоэффективнее? В этом случае гораздо больше производителей полупроводников со всего мира смогли бы позволить себе приобрести такую машину и подключиться к производству не только «зрелых» микросхем, но и ультрапередовых.
Тем более, что сейчас в мире действует огромное количество небольших компаний-разработчиков микросхем, использующих в том числе архитектуры с открытым кодом (наиболее известная из них — RISC V). Эти компании очевидно заинтересованы в появлении таких же небольших контрактных производителей, способных предложить услуги по производству чипов меньшими партиями и по менее дорогой цене. Так что более доступная техника действительно могла бы изменить мировой микроэлектронный ландшафт.
Именно такой машиной и является наноимпринтный фотолитограф Canon. За счёт чего это достигается? Дело в том, что чертёж интегральной схемы в этой машине переносится на полупроводниковую пластину, покрытую фоторезистом, методом оттиска шаблона. Тогда как в классическом EUV фотолитографе чертёж фотошаблона переносится световыми волнами, генерируемыми лазерной установкой и проходящими через сложнейшую оптическую систему.
Таким образом, в наноимпринтом литографе не требуется чрезвычайно дорогой и энергоёмкий лазерный источник светового излучения и под стать ему оптическая система. Ультрафиолетовый свет в наноимпринтной машине также используется, но лишь для отверждения полученного оттиска. Примечательно, что производственное оборудование, работающее в связке с EUV машинами: установки осаждения, травления, очистки, — вполне может после некоторой настройки работать и с наноимпринтной техникой.
Что насчёт качества чипов? Это действительно вопрос с большой буквы. Как известно, выход годных микросхем на полупроводниковых фабриках до сих пор далёк от 100%. Обычно отработка нового техпроцесса начинается с уровня выхода годных чипов порядка 50%. Затем в течение года, или даже нескольких лет, этот уровень доводят процентов до 90%, после чего и начинается массовое производство. Так что на стороне классических EUV машин годы опыта и понятный уровень качества чипов. А вот каковыми будут чипы, произведённые на наноимпринтных установках? Объективного ответа пока нет. Конечно, японские литографы прошли обкатку на ряде местных фабрик, но этого явно недостаточно для того, чтобы делать серьёзные выводы.
Пока приходится полагаться на заявления японских разработчиков, а они вполне оптимистичны. Позиция Canon в общем сводится к тому, что поскольку рисунок интегральной схемы при переносе не проходит через оптическую систему, то это позволит избежать соответствующих искажений, и рисунки схемы смогут быть воспроизведены на пластине очень точно. С другой стороны, эксперты ASML считают, что сложность выравнивания последующих слоёв на пластине, присущая наноимпринтной литографии, может привести к более высокой общей дефектности.
В Техасском институте электроники наноимпринтная установка используется для исследований и разработок современных полупроводников и производства прототипов. Так что о массовом производстве чипов речь пока не идёт. Но как бы там ни было, хорошо, что у традиционных EUV литографов, наконец, появилась реальная альтернатива. Ведь новейшие EUV установки ASML с высокой числовой апертурой стали поистине гигантскими: диаметр зеркал оптической системы в них уже составляет около метра. Получается, чем миниатюрнее становятся чипы, тем большими становятся габариты оборудования, на которых они производятся. Было бы неплохо повернуть эту тенденцию вспять.