Этот класс микросхем для нашей страны особенный. Почему? Да потому что самые передовые фотолитографы, которые сейчас реально разрабатываются в России, должны будут производить микросхемы именно по 90 нм техпроцессу. При чём тут вообще нанометры? Дело в том, что микросхемы такого класса производятся на планарных (плоских) транзисторах. Поэтому размеры в них самые настоящие. Так что если измерить длину затвора такого транзитсора, то получим именно 90 нм.
Казалось бы, что тут особенного? Дело именно в правдивости этих цифр. Ведь если взять более передовые чипы, произведённые по техпроцессам в несколько нанометров, то окажется, что столь малых размеров там и близко нет. Что это: дань традиции, маркетинг или хитрость, — каждый может сделать вывод сам.
Впрочем, путь до «маркетинговых» размеров нам ещё предстоит неблизкий. Ведь даже 28 нм техпроцесс — это ещё планарные транзисторы, а вот то, что меньше — уже объёмные, так называемые FinFET или GAAFET. Поэтому с размерами там накладка и получилась: в отличие от плоских транзисторов, не вполне понятно, что именно измерять в их объёмных собратьях и с чем сравнивать. Ну а раз непонятно, то с размерами можно и не скромничать.
Кто у нас в стране занимается разработкой 90 нм фотолитографов? Зеленоградский нанотехнологический центр (ЗНТЦ). Каким образом Центру, созданному для «содействия трансферу технологий путём бизнес-инкубирования старт-ап компаний и лицензирования технологических процессов», удалось выпустить фотолитограф, одну из самых технологически сложных машин, созданных человеком, становится понятным, когда узнаёшь, что партнёром ЗНТЦ по этой миссии является белорусский холдинг «Планар».
Минская компания — один из ведущих мировых специалистов в области разработки и производства фотолитографической техники прошлого и нынешнего веков. Разумеется, белорусское участие нисколько не умаляет заслуг зеленоградцев. Наоборот, у многих людей старшего поколения это вызывает приятную ностальгию по тому времени, когда электронщики РСФСР, Белорусской ССР, Латвийской ССР, Болгарии, ГДР и других советских и социалистических республик в едином строю штурмовали полупроводниковый Олимп того времени.
Итак, что мы имеем сейчас? Выпущенный в прошлом году 350 нм степпер (шаговая установка совмещения и экспонирования). Это ни много ни мало первая фотолитографическая машина России, что, безусловно, плюс. Однако машина эта по нашим временам обладает весьма скромными характеристиками, что, впрочем, тоже плюс. Ведь микросхемы нам нужны разные, в том числе исполненные и по столь «зрелым» техпроцессам. К сожалению, одними зрелыми техпроцессами нам обойтись не удастся. Так что неудивительно, что после разминки на 350 нм машине, ЗНТЦ с «Планаром» усиленно занялись разработкой более передовых 130 и 90 нм фотолитографов.
В чём между ними разница? Чем «тоньше» техпроцесс, тем короче рабочая волна и тем сложнее (и точнее) технология. 350 нм фотолитограф построен на твердотельном лазерном источнике, излучающем ультрафиолетовый свет с длиной волны 365 нм. Источники излучения 130 нм и 90 нм машин — это уже эксимерные (газовые) лазеры: KrF (фторид криптона, 248 нм) и ArF (фторид аргона, 193 нм) соответственно. Здесь всё логично: более тонкий инструмент способен рисовать более тонкие узоры микросхем на полупроводниковой пластине, покрытой светочувствительным материалом — фоторезистом.
Разработкой обеих эксимерных лазеров занимается российская компания «Оптосистемы», входящая в ГК «Лассард». Интересно, что в мире всего две компании наладили серийное производство таких лазеров: американская Cymer и японская Gigaphoton. Нам они свою технику не продают, впрочем нам сейчас она не очень-то и нужна.
Как вообще соотносятся между собой микросхемы, работающие по 130 и 90 нм техпроцессам? По этой теме в мире накоплен немалый опыт, ведь массовое производство 90 нм микросхем было развёрнуто ещё в начале 2000-х годов (а 130 нм и того раньше). Первыми отличились японская Toshiba и южнокорейский Samsung Electronics. Эти компании вели непримиримую борьбу за лидерство на мировом рынке памяти (корейцы наступали, японцы оборонялись). Неудивительно, что первыми 90 нм микросхемами как раз и стали стали DRAM и NAND память.
Американский Intel традиционно выступил на ниве логических микросхем: в 2004 году был выпущен процессор Pentium 4. Это событие стало особенно примечательным, потому что 90 нм техпроцесс был впервые исполнен на 300 мм кремниевых пластинах. С этого времени начался массовый переход отрасли с 200 мм пластин на 300 мм, которые правят бал и поныне. Вскоре примеру Intel последовала тайваньская TSMC, начав производство своих 90 нм логических микросхем на 300 мм пластинах. Интересно, что TSMC впервые организовала производство чипов такого класса с помощью иммерсионных DUV (глубокий ультрафиолет) фотолитографах.
Такие машины оснащены дополнительной водяной линзой, позволяющую увеличить числовую апертуру системы, а стало быть и разрешение. Хотя такие фотолитографы также используют ArF лазер в качестве источника излучения, как и сухие фотолитографы, они не являются сторого необходимыми. В мире по сей день множество 90 нм микросхем производятся по более простым, сухим технологиям. Сухим будет и наш отечественный 90 нм фотолитограф.
Разница между 130 и 90 нм техпроцессами существенна: в плюс можно занести примерно 30% линейное уменьшение размеров элементов. Отсюда улучшение примерно на треть скорости работы чипа и уменьшение размера самого кристалла. Но есть и минус: возросшая дороговизна техпроцесса, и прежде всего стоимость набора фотошаблонов для чипа. Ведь миниатюризация имет свою цену: использование более «тонких» элементов означает больше дополнительных слоёв межсоединений. Так что такие чипы стали более многослойными, а число фотошаблонов в наборе возросло примерно с 20 до 30 (в случае логических микросхем).
Здесь кроется ответ, почему мы разрабатываем одновременно 130 и 90 нм степперы. Это прежде всего вопрос экономической эффективности: производить более простые чипы на сложных фотолитографах — удовольствие не из дешёвых. Так что нам нужны обе машины. Конечно, никто не будет на них производить процессоры вроде Intel Pentium 4: они давно устарели. А вот производить всевозможные микроконтроллеры: для автомобилей, поездов, авиации, станков с ЧПУ — самое то.
На зеленоградском «Микроне», флагмане российской микроэлектроники, микросхемы по 90 нм техпроцессу уже выпускаются с помощью импортного фотолитографа производства нидерландской ASML. Но мы понимаем, что потребности отечественной электроники одной машиной не закрыть, да и техпроцессы необходимо отрабатывать именно свои. Ведь спрос со стороны отечественной промышленности в условиях импортозамещения на полупроводниковые устройства просто огромный.
Какие фотолитографы сейчас работают в России? Читайте статью в премиум-разделе канала «Фотолитограф»: