В России главные надежды на создание отечественного фотолитографа экстремального ультрафиолета (EUV), относящегося к самому передовому на сегодня классу этих сложнейших машин, с помощью которых рисунки интегральных схем переносятся с фотошаблонов на полупроводниковые пластины, связаны с нижегородским Институтом физики микроструктур (ИФМ) РАН.
Последние годы эта уважаемая организация представила целую серию дорожных карт по созданию у нас в стране такой техники. Вначале речь шла о машине, способной производить чипы по 7 нм техпроцессам. Потом карта была уточнена, и речь в ней уже шла о поэтапном создании 28 нм — 16 нм — 12 нм литографов. Ну а последние новости связаны с планами наладить серийное производство в 2037 году суб-10 нм фотолитографа (сканера).
На этом непростом пути планируется вначале разработать 40 нм степпер (рисунок неподвижного фотошаблона полностью проецируется на участки пластины, передвигающейся в пошаговом режиме) и 28 нм сканер (столик пластины и фотошаблон перемещаются относительно друг друга, экспонирование происходит через щель). Все эти машины должны будут работать на источнике экстремального ультрафиолета (ксеноновая плазма, длина волны 11,2 нм). В случае успеха такие машины практически закроют всю нашу потребность в фотолитографической технике, за исключением ультрапередовых чипов с топологическими нормами в несколько нанометров.
Впрочем, сложность создания такой техники не является темой данной статьи. Сейчас я хотел обратить внимание вот на что: фотолитограф является всего лишь одной из многочисленных машин в производственной цепочке полупроводниковой фабрики. И если действительно будет дана отмашка на практическую разработку EUV установки, параллельно будет необходимо разработать и модернизировать просто огромное количество сложнейшей техники, материалов и технологий.
Хороший пример: первый российский 350 нм фотолитограф Зеленоградского нанотехнологического центра (ЗНТЦ). Прямо сейчас опытная машина весело трудится в стенах ЗНТЦ: как ей и положено, экспонирует полупроводниковые пластины — отрабатывает техпроцессы. Но почему это стало возможным? Потому что бок о бок с ней работает установка нанесения фоторезиста/проявки производства воронежского Научно-исследовательского института полупроводникового машиностроения (НИИПМ). Ведь перед экспонированием пластину необходимо покрыть фоторезистом (светочувствительным материалом), а после нанесения рисунка лишнюю часть фоторезиста нужно смыть (проявка).
Но поскольку установку нанесения фоторезиста/проявки своевременно изготовили, то и фотолитограф заработал. Но чем сложнее будут сами фотолитографы, тем сложнее должны будут становиться и соответсвующие им смежные установки. Производителей тех же установок нанесения фоторезиста/проявки (обычно они построены в виде единой машины) в мире немало, но установки, работающие с EUV фотолитографами, производит только японская Tokyo Electron.
Поэтому на любой полупроводниковой фабрике, работающей с EUV машинами (TSMC, Intel, Samsung Electronics, SK Hynix и Micron Technology), непременно обустроены так называемые фотолитографические кластеры, состоящие из собственно EUV установки голландской ASML (мирового монополиста по этой части) и установки нанесения фоторезиста/проявки Tokyo Electron. И никак иначе.
Подобная ситуация и с самими фоторезистами. Казалось бы, какие сложности? Но на самом деле создать подходящий фоторезист — труднейшая и очень дорогостоящая задача. Усугубляется дело тем, что не существует универсального решения: под каждую длину волны света разрабатывается соответствующий фоторезист. Нужно ли говорить, что самые сложные фоторезисты используются именно в EUV фотолитографии. Доминируют по этой части японские компании JSR, Tokyo Ohka Kogyo и Shin-Etsu.
Занимаются у нас в России фоторезистами? Занимаются. В частности, зеленоградский НИИМЭ (НИИ молекулярной электроники). В прошлом году был получен опытный образец отечественного фоторезиста. Разработка EUV фоторезистов проводится совместными усилиями ИФМ РАН и Института химии ННГУ им. Н. И. Лобачевского.
Не следует забывать, что если мы говорим о микросхемах, производимых по 28 нм техпроцессу и «толще», то они построены на планарных (плоских) транзисторах. Но начиная с 22 нм техпроцессов микросхемы изготавливаются уже на объёмных (FinFET) транзисторах. А это предполагает использование более сложных машин травления, поскольку требуется формировать гораздо более сложные структуры. Например, такие машины, как у мировых передовиков в этой области: американской Applied Materials и японской Tokyo Electron. Да и используемые для травления в таких машинах химикаты также проще не становятся.
Конечно, профильное предприятие по части травильных машин у нас в России тоже есть, причём ещё с советских времён. Это зеленоградский НИИ Точного машиностроения (НИИТМ). Однако разработать машину, способную гравировать чипы по техпроцессам 10 нм, это задача с большой буквы, и для её осуществления потребуется немало времени.
Да и над созданием «сырых» полупроводниковых пластин придётся потрудиться как следует. Ведь мало уметь «печатать» чипы, надо чтобы было на чём их «печатать». А вот с этим у нас дела обстоят не очень. На том же зеленоградском «Микроне» чипы производятся на импортном «кремнии». Да и пластины, которые экспонируются на нашем новеньком степпере в ЗНТЦ, тоже импортные.
Конечно, мы на месте не стоим и в этом вопросе: не так давно концерн «Росэлектроника» демонстрировал самостоятельно «выращенный» слиток монокристалличесого кремния под 100 мм пластины. И хотя 100 мм пластины, безусловно, найдут своего потребителя, например в области силовой электроники, для передовых микросхем необходимо освоить производство 150, 200 и даже 300 мм пластин. Наш зеленоградский фотолитограф уже сейчас работает со 150-200 мм пластинами.
К тому же дело не только в размере. В случае с передовыми микросхемами кремниевая подложка, поступающая на производственную линию, уже представляет из себя самый настоящий полуфабрикат, с предварительно нанесёнными разнообразными слоями, в т. ч. эпитаксиальными. Опять же, некоторый задел у нас есть и в этом направлении. Например, тот же НИИТМ уже производит оборудования для выращивания эпитаксиальных структур (осаждение кристаллических плёнок на кремниевую подложку).
В общем, у нас есть, от чего оттолкнуться, многое делается уже сейчас. Но если мы решим замахнуться на уровень 10 нм, работа в предстоящее десятилетие предстоит просто грандиозная. И к одному фотолитографу она точно не сводится. Так что времени терять нельзя.
Премиум-статья про китайскую компанию AMEC, производителя производственного оборудования для полупроводниковой промышленности мирового уровня: