В конце 90-х японская полупроводниковая промышленность сосредотачивалась в преддверии решающей схватки с западными конкурентами. Её итоги должны были определить, кто будет контролировать самую высокотехнологическую отрасль мировой экономики как минимум следующие полвека.
Ключом к победе являлось создание самой сложной машины во всём полупроводниковом производстве: фотолитографа экстремального ультрафиолета (EUV). Задача этой машины: перенос рисунка интегральной схемы с фотошаблона на полупроводниковую пластину при помощи световых волн длиной 13,5 нанометров, генерируемых лазерно-плазменным источником. Это позволило бы производить миниатюрные микросхемы с небывалыми доселе характеристиками в плане производительности и энергоэффективности. Японцы в успехе не сомневались: ведь это именно они накануне буквально разгромили американских производителей GCA и Perkin-Elmer. Японская техника была лучше буквально во всём: совершенная оптика, лучшие источники светового излучения, точнейшее метрологическое оборудование.
Казалось, что японские передовики, Nikon и Canon, были вне досягаемости. В 80-х за ними 70% мирового рынка, да и в 90-х они по-прежнему впереди. Разве что голландская ASML медленно, но неуклонно увеличивала свою долю рынка. Американцы всё-таки нашли способ ответить японским передовикам: исследовательские лаборатории министерства энергетики, ведущие производители микросхем: Intel, AMD и Motorola, ключевые поставщики технологий и компонентов: Tinsley Laboratories и Integrated Solutions, огромные финансовые ресурсы, — всё это было брошено на поддержку молодой компании из Нидерландов. Цель американцев японцам была предельно понятна: взять реванш над Nikon и Canon.
После навязанного американцами ещё в 1985 году соглашения «Плаза Аккорд», которое привело к резкому укреплению иены, стагнации японской экономики и трудностям в электронной промышленности, японские производители оборудования не просто устояли: они стали сильнее. Ведь их технологическое превосходство только нарастало. Именно Nikon в 1988 году первым выпустил фотолитограф глубокого ультрафиолета (DUV) NSR 1505EX.
Эта машина с эксимерным лазером на фториде криптона (KrF) в качестве источника света с длиной волны 248 нм была настоящим шедевром (разрешение 500 нм). Голландцы ещё три года после этого продолжали по старинке производить литографы на ртутных лампах: источник излучения с длиной волны 365 нм — лучшее, что они могли предложить. Именно японцы продолжали вести мир по пути всё большей миниатюризации микросхем и увеличению вычислительной мощности. Именно они обеспечивали выполнение американского закона Мура об удвоении числа транзисторов на кристалле интегральной схемы каждые 24 месяца.
Теперь японцам необходимо стать первыми и в EUV фотолитографии: ведь им совершенно ясно, куда ветер дует. Американцы всячески поддерживают развитие производства полупроводников на Тайване и в Южной Корее. Новые предприятия растут там как грибы после дождя. И не для того американцы передавли свои технологии голландцам, чтобы позволить японцам беспрепятственно получить столь лакомый кусок мирового рынка. Остаётся одно: в очередной раз превзойти Запад технологически. Их новая машина не должна оставить ASML никаких шансов. И ведь они имеют на EUV технологию полное право: именно их исследователь Хиро Киносита спроецировал ещё в 1986 году первые изображения EUV. Но масштаб этого открытия в Японии поняли далеко не сразу. А вот американцы времени даром не теряли. И теперь им есть, что передать ASML. Но на стыке веков лучшие профильные японские предприятия уже отмобилизованы: Nikon, Canon, USCIO, Gigaphoton, Rigaku, Komatsu, — фотолитографическая машина экстремального ультрафиолета должна упрочить японское лидерство.
Им не нужно, как ASML, метаться по всему миру в поисках компонентов. Японцы считают себя способными всё сделать самим: Gigaphoton — лазерную установку, Rigaku — оптику, JSR — фоторезист. Ради этой сверхзадачи японские компании забудут про все противоречия и выступят единым фронтом, как уже бывало не раз.
2009 год: они сдаются. Вначале Nikon (лидер в японской паре), а потом и Canon сворачивают свои EUV программы. И это после многомиллиардных трат, десяти лет невероятного труда и столь же невероятных изобретений. Казалось бы, сделано самое главное: оптика, лазеры, и даже две альфа-установки (Nikon вовсю испытывает их на японских предприятиях). Но японский передовик не может справиться с загрязнением рабочих камер оловом. В EUV машинах в вакуумную камеру вбрасываются десятки тысяч капель олова в секунду, которые под действием лазерных импульсов генерируют световое излучение экстремального ультрафиолета (13,5 нм).
Этот свет необходимо собрать с помощью особого зеркала, коллектора, и через систему зеркал сфокусировать на фотошаблон (зеркало с рисунком интегральной схемы), чтобы в итоге перенести рисунок с фотошаблона на полупроводниковую пластину, покрытую светочувствительным материалом — фоторезистом. Но отработанное олово осаждается на зеркала и мешает нормальной работе системы. Поскольку столь короткие волны поглощаются даже воздухом (отсюда необходимость работы в вакууме), не говоря уже о стекле и обычных зеркалах, приходится изготавливать особые многослойные зеркала, способные отражать волны с длиной всего 13,5 нм.
Но волны всё равно в значительной степени поглощаются зеркалами, так что до кремниевой пластины доходит всего около 1% сгенерированного света. Загрязнение оптики оловом делает нормальную работу установки попросту невозможной. Японцы ничего поделать с этим не могут. А голландцы это сделать смогли. Вернее, не только, и даже не столько голландцы, сколько их многочисленные поставщики компонентов и технологий со всего мира.
В частности, «интегрированный лазерно-плазменный источник экстремальной ультрафиолетовой литографии», созданный инженерами американской компании Cymer и установленный на первой EUV установке ASML, работал «как часы» совместно с зеркалами, разработанными немецким оптическим гигантом Carl Zeiss. Эта система обеспечила стабильную передачу необходимого для работы количество света. Вскоре ASML купит Cymer и почти четверть Carl Zeiss SMT, закрепив свои монопольные позиции на рынке EUV машин.
Итак, в 2006 году ASML создаёт первые прототипы своих EUV фотолитографов, в 2008 запускается производство тестовых микросхем (на мощностях американского исследовательского центра SUNY), ну а в 2010 году первая предсерийная машина EUV TWINSCAN NXE:3100 начала свою работу в исследовательском центре Samsung Electronics. Там же, в Южной Корее, в 2019 году на EUV фотолитографе была выпущена первая коммерческая микросхема. Это был мобильный процессор Samsung Exynos 9825. Только использование EUV установки позволило изготовить чип по ультрапередовому для того времени техпроцессу 7 нм.
А что японцы? С тех пор никаких попыток вернуться к теме экстремального ультрафиолета они не предпринимали. Год за годом их доля на мировом рынке фотолитографов неуклонно сокращалась в пользу ASML. Когда-то доминанты мирового рынка сейчас довольствуются менее чем 10% долей в совокупности. Так что за оборудованием, способным производить чипы по ультрасовременным техпроцессам в несколько нанометров, предназначенных для использования в смартфонах, передовых ноутбуках и системах искусственного интеллекта, всем полуппроводниковым фабрикам мира теперь приходится обращаться исключительно в ASML.
Смирились ли японцы с ролями второго плана? Конечно нет. Во всяком случае Canon. Японский специалист решил зайти с другой стороны: импринтной печати. Наноимпринтные литографические машины используют иной принцип работы, чем классические фотолитографы. В таких машинах рисунок интегральной схемы переносится на полупроводниковую пластину, покрытую фоторезистом, методом оттиска шаблона (формы). Но главное, что японский производитель уже выпустил несколько первых машин, работающих не много ни мало по техпроцессам 5 нм: до этого считалось, что такого результата возможно добиться только с помощью EUV фотолитографов.
Теперь Canon заявляет о возможности отработать на таких машинах ультрасовременный 2 нм техпроцесс. Если это действительно получится, то долгая история технологического противостояния между Японией и США может выйти на новый виток.