В Нижнем Новгороде разработали литограф, источник излучения которого в несколько раз компактнее и чище в работе, чем у мировых аналогов. Промышленное производство устройства запланировано на 2030 год. Использование отечественного литографа в микроэлектронике позволит не только печатать 7-нм микрочипы, но и сделать их производство менее дорогим. В основе процесса литографической печати, разработанной нашими специалистами, лежит принцип ультрафиолетового излучения, но с длинной волны всего 11,2 нм, вместо 13,5 нм у голландской ASML - главного поставщика TSMC.
Так получилось, что до распада СССР в стране был налажен процесс изготовления чипов по 500-нм и 350-нм технологиям, а в совместном проекте с голландской ASML наши учёные физики работали над техпроцессом, основанным на ультрафиолетовом "свете" с длинами волн 248-нм и 193-нм. Это открывало доступ к 180-нм и 90-нм техпроцессам производства чипов.
С распадом СССР и наступившем сложном переходном периодом нашей страны, ASML в итоге отказалась от сотрудничества с нашими учёными, при этом не гнушаясь воспользоваться их наработками и достижениями. Иными словами, своим развитием тайваньская TSMC - главный мировой производитель чипов, обязана нашим отечественным учёным.
Чуть ниже мы поговорим и об этом, а пока давайте на простом языке обсудим, что же такое литография.
Принцип работы литографа для микроэлектроники.
Если не вдаваться в технические подробности, то принцип работы литографа очень похож на процесс фотопечати с использованием негативов на фотоплёнке: с проявителем, закрепителем и проектором изображения с плёнки на фотобумагу. Только вместо фотобумаги он использует кремниевую пластину, а вместо источника света - ультрафиолет с определённой длиной волны.
Перед моментом печати на кремниевую пластину наносится специальный материал для формирования элементов (дорожек и транзисторов). Поверх этого материла наносится светочувствительный слой под названием резист. Вот такая кремниевая пластина поступает в аппарат литографической печати. Если сравнивать с фотопечатью - то это аналог фотобумаги, только очень твёрдый.
В отличие от фотопечати, когда луч света проходит через плёнку и увеличительное стекло попадая на фотобумагу, при литографической печати эффект обратный - он не увеличивает изображение фотошаблона, а, наоборот, уменьшает. Для таких целей ультрафиолет также пропускают через линзу, но уменьшающую изображение фотошаблона. На кремниевой пластине с материалом и резистом часть резиста засвечивается, а часть нет.
После чего с пластины убирается (смывается химической обработкой) незасвеченный резист смывается и незащищённый им слой материала. На пластине остаётся только материал с засвеченным резистом. Наконец, убирают и засвеченный резист, оставляя рисунок из оставшегося материала. Поскольку транзисторы у нас не плоские, то такой процесс печати повторяется на плате несколько раз до нужного объёма, а соединительные дорожки могут проходить как поверх транзисторов, так и между ними.
Основные проблемы литографии для микроэлектроники.
Главной проблемой такой печати является длина волны. Опытным путём удалось установить, что ультрафиолетовый "свет" с длиной волны меньше, чем 193 нм плохо проходит через линзы. Своего рода - это физический предел печати. При этом, процесс печати с длиной волны 193 нм позволяет делать чипы на 90-нм техпроцессе.
Чтобы уменьшит длину волны, учёные стали применять фазовый сдвиг. Но с применением фазового сдвига резко возрастал брак производства чипов, что приводило к росту их стоимости. И разработчки стали подумывать о рентгеновских лучах.
Вот тут наши отечественные учёные предложили коллегам из голландской компании ASML использовать многослойные зеркала. Это позволило, во-первых, избавиться от линз, которые сами по себе рано или поздно утрачивали качество, и , во-вторых, добиться длины волны ультрафиолетового "света" в 13,5 нм.
Чтобы добиться такой длины волны в диапазоне 13,5 нм, в 2002 году к.ф.-м.н. К.Н.Кошелев из лаборатории атомной спектроскопии в качестве источника света предложил использовать олово.
Многие технические специалисты используемые сейчас литографы называют рентгеновскими. Но это не совсем так.
Название взялось из-за длины рентгеновских волн - 10 нм или короче. В ультрафиолетовых литографах TSMC длина воны 13,5 нм.
Такое устройство также иногда называют литографом экстремального ультрафиолета (EUV). А рентгеновским его называет из-за того, что физически волны уровня 13,5 нм ведут себя точно так же, как рентген.
На этом сотрудничество голландцев с нашими учёными прекратилось, и голландская ASML стало искать покупателя на "свою" технологию и организацию производства. Денег за печать чипов голландцы попросили очень много и единственная компания, которой это предложение оказалось по карману - была тайваньская TSMC, а наши учёные остались ни с чем.
Возрождение в Нижнем Новгороде.
После того как эпоха потрясений в нашей стране закончилась, а государство снова стало вкладывать деньги в развитие науки, вспомнилась и технология литографической печати с использованием зеркал.
Родина Ивана Кулибина славилась огромным количеством научных институтов, где активно занимались физикой. Взять хотя бы российского изобретателя радио - Александра Попова или советского радиотехника, основателя отечественной радиоламповой промышленности Михаила Бонч-Бруевича. Так, исторически в Нижнем Новгороде создавалась сильнейшая школа учёных-физиков.
И если уж суждено где-то в нашей необъятной стране разработать литограф для микроэлектроники, то это должно было случиться именно в Нижнем Новгороде.
Российские учёные из ИФМ РАН предложили серьёзно удешевить рентгеновский EUV-литограф снизив его производительность и взяв за основу источника света не олово, а компактный и более простой источник излучения на ксеноне с длиной волны 11,2 нм.
Такой процесс литографической печати не сможет обеспечить огромные объёмы производства чипов для мобильных устройств, какие производит TSMC, но зато он позволит создавать более качественные и более дешёвые чипы, с гораздо меньшим процентом брака.
Технология в Нижнем Новгороде уже создана и апробирована. Промышленное производство устройств литографической печати запланировано на 2030 год.
Вместо заключения.
С одной стороны я потрясён наглостью голландской компании ASML, сделавшей себе состояние на умах российских учёных и инженеров, а также разбогатевшей на этих успехах TSMC. Но с другой стороны я рад той силе мысли наших нижегородских "Кулибиных", которые создали то же самое заново, но только лучше и дешевле.
В статье использовались материалы Дзен-канала "Электромозг" и официального сайта "Стратегия Развития Нижегородской области".
Может быть интересно:
Благодарю Вас за прочтение и потраченное время.
Публикация подготовлена в рамках тура "Нижний Новгород вместе с командой Дзен".