Как «рисуют» схемы на кремнии светом и водой? Погружаемся в мир литографии — главной технологии, без которой не бывает ни чипов, ни ИИ.
Представьте себе — тонкая, как стекло, кремниевая пластина, размером с ладонь, — и на ней нужно разместить миллиарды компонентов, каждый из которых меньше вируса. Как это возможно? Ответ — в литографии. Это сердце любого современного полупроводникового завода.
В этой статье разберёмся, как устроен этот процесс, какие технологии применяются и в каком положении находится Россия в этом направлении.
Суть литографии — как свет рисует микромир
Литография в микроэлектронике — это метод переноса изображения схемы на поверхность кремниевой пластины. Представьте фотопечать, но в масштабе 1 к миллиону. На выходе — один слой микросхемы. А таких слоёв может быть больше 100.
Это как слоёный пирог: транзисторы, изоляция, проводники — всё создаётся поэтапно с ювелирной точностью.
Представьте, что вы — оператор литографической установки.
Что происходит?
1. Подготовка кремниевой пластины
Пластина размером 300 мм проходит многоступенчатую химическую очистку. Любая пылинка — это брак и миллионные потери.
2. Нанесение фоторезиста
На пластину наносят фоторезист — чувствительный к свету полимер. Его равномерно распределяют центрифугой — так создаётся слой толщиной от 50 до 500 нм.
3. Экспонирование через маску
Через хромированную маску на пластину направляется ультрафиолет (обычно 193 нм). Свет проходит только в нужных местах — рисунок «запекается» в фоторезисте. Современные установки ASML делают это со скоростью до 200 пластин в час.
4. Проявка
Пластину «проявляют» в специальной ванне. Лишний фоторезист смывается. Остался точный рельеф.
5. Травление
Открытые участки травят плазмой — удаляют частицы материала (например, оксида кремния), чтобы создать нужную форму. Потом остатки фоторезиста удаляют — и пластина готова к следующему слою.
На этом этапе создаются ключевые элементы будущей микросхемы — транзисторы, провода и контакты.
! Важно учитывать, что для каждой микросхемы потребуются десятки и даже сотни таких операций, на каждом слое нужно точное совмещение рисунка. Это называют overlay — наложение рисунков с минимальной погрешностью, не превышающей нескольких нанометров.
Чтобы добиться такого уровня точности, оборудование должно быть оснащено прецизионной оптикой, системой активной стабилизации, датчиками температуры и вибрации. Любая деформация подложки, термическое расширение или флуктуации фокусного расстояния могут привести к браку.
Поэтому производство чипов — это не только про литографию, но и про абсолютный контроль среды.
! Рекомендуем почитать
Что такое техпроцесс и зачем гнаться за нанометрами
Когда говорят, что процессор сделан по техпроцессу 7 нм или 180 нм — это не размер самого транзистора. Это условный масштаб, который включает длину затвора, ширину межсоединений и расстояние между компонентами.
Проще говоря — это «шаг» в рисунке, который наносится в ходе литографии.
В России сейчас работают с 180–65 нм, это полностью закрывает нужды промышленных контроллеров, медтехники, авиа и железнодорожной автоматики. Переход на 28 нм потребует EUV — и тут всё сложнее.
! Немного теории
Литография — это технологии на грани магии
Современная литография подразделяется по длине волны излучения и способу нанесения изображения. Каждая технология отвечает определённым требованиям точности и масштаба производства:
- DUV (Deep Ultraviolet) литография использует длину волны 248 и 193 нм. Это самая распространённая технология, применяемая при производстве микросхем на 90–14 нм. Основу составляют лазеры на фториде криптона и аргона. Она хорошо отработана и используется десятками фабрик по всему миру.
- Иммерсионная литография — разновидность DUV, при которой между линзой и подложкой заливается слой воды. Это увеличивает точность фокусировки и позволяет достичь разрешения до 7 нм. Метод стал основным способом для производства большинства чипов в последние 10 лет. Проблема в том, что вода должна быть сверхчистой, а сам процесс — стабилен до молекулярного уровня.
- EUV (Extreme Ultraviolet) литография использует длину волны 13,5 нм. Это прорывная технология, без которой невозможно производить микросхемы по техпроцессам 7 нм и ниже. Источник света создаётся при помощи плазмы, а система работает в вакууме. Один такой аппарат от ASML стоит более 150 миллионов евро. Настройка и обслуживание требуют команды высококвалифицированных специалистов. Плюс к этому — каждая маска EUV стоит сотни тысяч долларов, а их изготовление занимает недели.
! Физически уменьшение длины волны необходимо для преодоления дифракционного барьера. При 193 нм невозможно достичь чётких границ элементов менее 20 нм, поэтому внедрение EUV — это не роскошь, а необходимость. Однако с переходом к такой длине волны становятся актуальными и новые проблемы: отражательная оптика, нестабильность резистов и высокий уровень абсорбции материалов.
! Это интересно
Где ломается литография
Немного боли, знакомой каждому, кто работал в чистых комнатах:
- Ошибка совмещения (Overlay Error): когда маски наносятся со смещением, и один слой схемы «не совпадает» с другим — происходит брак.
- Неполное проявление фоторезиста: слишком слабый УФ, засвечивание вне зоны — резист не «проявился».
- Дефекты маски: даже одна пылинка на маске — и дефект переносится на все 25 000 кристаллов на пластине.
- Неправильный профиль травления: ионная бомбардировка может съесть часть подложки.
- Фотонестабильность резиста: старый или неправильно хранившийся резист даёт «рваный край».
Что происходит в России
На сегодняшний день в России литографическая отрасль находится на этапе возрождения. Компании «Микрон», «Ангстрем-Т» и ряд НИИ работают с техпроцессами 180–65 нм на оборудовании DUV. EUV-технологии пока недоступны — как по экономическим, так и по политическим причинам.
Однако есть перспективы. В НИУ МИЭТ и других ВУЗах ведутся разработки отечественных фоторезистов. В рамках государственной программы стимулируется создание импортозамещающего оборудования. Некоторые компании создают собственные маски и проводят тестовые травления на уровне 65 нм.
Проблема в координации усилий. Без единой стратегии, стабильного финансирования и заказов со стороны промышленных партнёров эти разработки так и останутся лабораторными проектами. Для выхода на уровень массового производства нужно объединение науки, государства и бизнеса.
Есть надежда на партнёрства с Китаем и Индией, где развивается инфраструктура литографии, и которые готовы к технологическому обмену. К тому же в 2025 году «Микрон» объявил о планах по запуску новой линии на 65 нм, с частичной локализацией материалов и обслуживающего ПО.
Где применяется
- Росатом — в производстве радиационно-стойких чипов.
- ОПК — управление ракетами, РЛС, космос.
- Нефтегаз — сенсоры, автоматизация процессов.
- Сельхозмашиностроение — бортовая электроника и системы контроля.
- Железнодорожная автоматика — современные чипы в управлениях сигналами.
Резюмируем!
Можно ли производить микросхемы без литографии?
Нет. Литография — это основа микроэлектроники. Без неё невозможно создать даже простейшую схему.
Почему 5 нм — это вызов?
Чем меньше техпроцесс, тем строже требования к точности масок, качеству резистов, стабильности оборудования. Ошибка в несколько нанометров может сделать чип неработоспособным.
Что может сделать Россия?
Работать в зоне до 65 нм, локализовать производство ключевых компонентов, инвестировать в собственные разработки и искать партнёрства с дружественными странами. Плюс развивать компетенции в производстве резистов и разработке литографических масок.
Где узкие места?
Это не только оборудование, но и материалы: резисты, кварц, чистящие реагенты, оптические элементы. Всё это должно быть надёжным и масштабируемым.
Что скажите?!
Что важнее — локализовать материалы или разработать собственное литографическое оборудование?
Есть ли шанс создать конкурентную цепочку без доступа к EUV?
Если вам интересны информационные технологии и последние новости из мира промышленности, то подписывайтесь на наши каналы — Дзен и Телеграм — чтобы быть в курсе всех событий и ничего не пропустить.
