Что является главной ценностью современной полупроводниковой промышленности? Производственные фабрики? Вряд ли. В конце концов фабрика — это всего лишь ангар, укомплектованный специализированным оборудованием. Нет ни малейших проблем в том, чтобы построить сколь угодно много таких производств. Это хорошо видно на примере главного мирового передовика по полупроводниковой части, тайваньского конгломерата TSMC: помимо самого Тайваня передовые фабрики этой компании сейчас возводятся в Германии, Японии и США просто с огромной скоростью.
Другие лидеры мирового полупроводникового производства: южнокорейская Samsung Electronics, японская Rapidus, американский Micron, — также строят новые фабрики изо всех сил. А если к этому списку имён добавить производителей калибром поменьше, то список новых фабрик просто уйдёт за горизонт. В общем, построить фабрику — не проблема: всё давно отработано до мелочей.
Тогда, возможно, главной ценностью является специализированное оборудование и инструменты, коих на современной фабрике буквально тысячи единиц: фотолитографы, установки нанесения фоторезиста, проявки, травления, осаждения, шлифмашины и т. д. и т. п.? Сложность и важность такой техники, разумеется, не вызывает ни малейших сомнений. Но есть ещё кое-что, без чего не получится изготовить сколь-нибудь эффективное производственное оборудование.
Это, разумеется, технологии. Возьмём, к примеру, ведущего в мире производителя фотолитографической техники, голландского гиганта ASML. Эта компания давно снискала лавры самой высокотехнологической компании Европы, а её машины — самых сложных машин за всю историю человечества. Но разве ASML сама, в одиночку, разрабатывает компоненты своих машин? Нет, этим занимаются многие сотни подрядчиков со всего мира. И за каждым из них стоят многие и многие часы работы, а самое главное — запатентованные технологии.
Даже для самых передовых литографических машин экстремального ультрафиолета (EUV) ключевые узлы изготавливают отнюдь не в Нидерландах. Оптические системы производит немецкий Carl Zeiss, вакуумные насосы — британский Edwards, источник излучения поступает из США (совместный труд американских компаний Access Laser и Cymer), усилитель маломощного американского лазера производства Access Laser изготавливает немецкий Trumpf.
Так что в общем, при большом желании и общем согласии, вполне возможно создать новую компанию и построить фабрику по производству фотолитографов практически в любой технологически развитой стране мира. Каких-то особо сложных технологических препятствий к этому попросту не существует. А можно поступить ещё проще. Немного пособить уже состоявшимся производителям фотолитографов, таким как японские Nikon и Canon, которые в своё время были буквально в двух шагах от создания собственных EUV машин, но не хватило денег и технологий.
Так что именно технологии являются ключевой ценностью в области полупроводниковой промышленности. Этим и объясняется столь значительное влияние американцев на мировую микроэлектронику.. Ведь именно американцы в своё время потратили больше всех денег, в том числе государственных, на их разработку. Именно американские компании изобрели (и запатентовали) множество технологий, начиная с транзистора и интегральной схемы, и заканчивая EUV фотолитографией. Немало патентов продолжают действовать и по сей день. Ну а использовать своё положение в своих интересах американцы никогда не стеснялись.
Вот и получается, что хотя порядка половины мирового спроса на фотолитографы ASML, Nikon и Canon приходится на Китай, без отмашки из Вашингтона эти компании в направлении крупнейшего мирового рынка не могут ступит и шагу.
Можно смело сказать, что суверенную полупроводниковую промышленность в нашем мире сейчас выстраивают только Россия и Китай. Россия опирается на технологическую базу, созданную ещё в советские времена (только СССР, США и Япония смогли в те годы создать комплексное полупроводниковое производство). Ну а Китай свою технологическую базу создаёт прямо сейчас. Возникает вопрос: есть ли у нас технологии, которые позволяют нам рассчитывать на скорое возрождение в стране комплексной микроэлектроники? Ответ однозначно положительный: прогресс в этом направлении идёт сейчас семимильными шагами. Из достижений последнего времени: создание первого российского фотолитографа, передовой установки плазмохимического осаждения, отечественного фоторезиста.
Пожалуй, интереснее другой вопрос: есть ли у нас технологии, которые на голову превосходят западные? Ответом на этот вопрос является разработка нижегородским Институтом физики микроструктур (ИФМ) РАН фотолитографа экстремального ультрафиолета (мягкого рентгеновского). «Разработка» не в смысле того, что он уже готов, а в том смысле, что над его созданием сейчас активно работают.
Вообще задачей фотолитографа является перенос рисунка интегральной схемы с фотошаблона на полупроводниковую пластину при помощи световых волн. EUV машины ASML для этого используют 13,5 нм волны, генерируемые источником оловянного лазерно-плазменного излучения, и многослойные Mo/Si (Molybdenum-Silicon) зеркала, эффективно такое излучение отражающие. Эти высокоточные зеркала производятся для ASML немецким оптическим гигантом Carl Zeiss. Технологии покрытия для них были разработаны немецким «Институтом прикладной оптики и точного машиностроения Фраунгофера».
Наш ИФМ РАН создал зеркала, работающие с 11,2 нм излучением, генерируемым плазмой ксенона. На сегодняшний день в мире этого больше никто не смог добиться. Почему это достижение столь важно? Здесь уместно будет вспомнить критерий Рэлея (английского учёного XIX века), характеризующий разрешение оптической системы и применительно к полупроводниковой фотолитографи определяющий наименьший размер элемента, который может быть «напечатан» на чипе.
CD = k1 • λ / NA
CD: критический размер = наименьший возможный размер элемента
λ: длина световой волны.
NA: числовая апертура оптической системы, определяющая количество собираемого света.
k1: коэффициент, определяемый совокупностью всех остальных факторов системы, в частности оптимизацией движения светового излучения. Физический предел составляет k1 = 0,25.
Чтобы сделать чипы более производительными, нужно и дальше увеличивать количестве транзисторов в чипе. А для этого приходится постоянно уменьшать их размеры и расстояние между ними. Для этого необходимо улучшать разрешение системы (уменьшать критический размер), а значит «дружить» с критерием Рэлея. С оптимизацией системы (коэффициентом k1) сделать что-то существенное очень сложно, так как он и так приближается к своему физическому пределу. Другое дело — длина рабочей волны. Чем она короче, тем разрешение лучше. В нашем случае 11,2 нм существенно короче 13,5 нм.
Это открывает для российской фотолитографии просто грандиозные перспективы, причём в разных направлениях. Для лучшего понимания этого обратим внимание на оставшийся компонент критерия Рэлея: числовую апертуру. Чем числовая апертура (иными словами — размер и сложность оптики) больше, тем разрешение лучше. Отсюда следует, что для того, чтобы получить разрешение объектива системы на уровне EUV литографов ASML, нашим инженерам достаточно сделать зеркала с гораздо меньшим диаметром, чем у Zeiss. В результате должна получиться более простая и недорогая машина. Собственно, такие зеркала в Нижнем Новгороде уже изготовлены и ждут своего часа.
Но есть и другая возможность: сделать зеркала такого же размера, как у Zeiss, и тогда при столь короткой волне итоговое разрешение будет таким высоким, что наша машина оставит хвалёных голландцев далеко позади. Почему немцы с голландцами сами не сделают такие зеркала? Потому что сделать их не так-то просто даже с их практически неограниченным бюджетом. Для этого нужно освоить принципиально иную технологию многослойного нанесения. Ведь наши учёные используют Ru/Be (Ruthenium-Beryllium) покрытия для зеркал в отличие от Mo/Si (Molybdenum-Silicon) зеркал, используемых голландцами.
А если вспомнить, что изначально технология нанесения покрытий Mo/Si (Molybdenum-Silicon) зеркал была в начале 2000-х годов по заказу ASML разработана всё теми же нижегородцами, становится пониятно, что ключ к очередному технологическому рывку в области полупроводниковой фотолитографии сейчас находится в российских руках. Остаётся надеяться, что мы сумеем этим ключом своевременно воспользоваться (завершение разработки первого российского EUV фотолитографа ИФМ РАН ожидается к 2030 году) и, разумеется, не допустим, чтобы этим ключом воспользовались другие.
❗ Для знатоков и любителей микроэлектроники, полупроводниковой промышленности и фотолитографии: заходите в премиум-раздел канала «Фотолитограф».