Именно так: производителям самых передовых «систем на кристалле» современных смартфонов и ноутбуков без такой техники как фотолитографы, работающие по 350 нм техпроцессам, обойтись весьма проблематично. Но почему так? Мы же знаем, что такие микросхемы производятся по тончайшим на сегодня техпроцессам в несколько нанометров (в конце прошлого года на мощностях тайваньской TSMC даже началось серийное производство 2 нм «систем на кристалле» для смартфонов Apple). А для такого производства и фотолитографы необходимы соответствующие, а именно модели, работающие со светом экстремального ультрафиолета (EUV).
Значит, необходимо обращаться к технике производства мирового монополиста по части EUV фотолитографов, нидерландской ASML. Ведь толстым фломастером не нарисуешь тонкую линию. Собственно, в этом и состоит главная причина, почему длина световой волны, используемой в качестве инструмента рисования интегральных схем в фотолитографах, все прошедшие десятилетия последовательно уменьшается. Но верно и обратное: тонким фломастером не очень-то удобно рисовать толстые линии. Во-первых, это дольше, а во-вторых гораздо дороже.
Но дело в том, что современная микросхема представляет из себя многослойную конструкцию, в которой количество слоёв запросто может достигать сотни. Так вот: разные слои изготавливаются по разным техпроцессам, а значит, с использованием разных фотолитографов. Поэтому на полупроводниковых фабриках трудится целая сборная солянка из самых разных моделей этих машин: современных и не очень, только что установленных и давно амортизированных (ещё один плюс в использовании «зрелой» техники).
Для такого подхода, когда каждому конкретному слою полупроводниковой пластины соответствует оптимальная рабочая световая волна, даже существует свой термин: «литография смешивания и сопоставления». Примечательно, что в полупроводниковой промышленности тонкие слои принято называть критичными, а толстые — некритичными. Звучит забавно, ведь микросхеме требуются все слои: хорошие и разные.
Что из себя представляет полупроводниковый чип? Внизу, непосредственно на пластине (чаще всего кремниевой) сформированы транзисторы. Ну а выше идёт сетка из проводов (чаще всего медных), проложенных в изолирующих слоях. Причём чем дальше от пластины провода, тем они толще. Это напоминает дорожную сетку: сверху более редкие и широкоие автомагистрали, ниже — паутинки из дорог и дорожек. Ведь без межсоединений транзисторы бесполезны.
Intel недавно начал производство микросхем, в которых слои питания располагаются с обратной стороны пластины, отдельно от сигнальных слоёв, оставшихся с лицевой стороны.
И толстые медные структуры внешних слоёв, и контактные площадки для соединения чипа с печатной платой, даже в ультрапередовых микросхемах не исполняются, как транзисторы, по техпроцессам в несколько нанометров. Здесь речь идёт о сотнях нанометров, а то и вообще о микронах. 350 нм фотолитографы с задачей формирования таких структур справляются просто идеально.
Стоит отметить, что последний внешний слой чипа является пассивирующим (защитное покрытие из диоксида кремния или нитрида кремния). В этом слое протравливаются окна для контактных площадок, расположенных на предыдущем слое. Размеры этих окон также отнюдь не нанометровые, так что ими занимаются всё те же 350 нм машины.
И всё же, зачем столько хлопот с целым парком фотолитографов? Поставили бы EUV машины, и пусть работают, где-то побыстрее, где-то помедленнее, зато универсально. Дело в том, что разница в цене машин просто огромна. Стоимость 350 нм российского фотолитографа (степпера = шаговой установки совмещения и экспонирования) составляет порядка 4,5 млн долларов (по относительно недавнему заявлению директора Зеленоградского нанотехнологического центра, производителя этой машины, Анатолия Ковалёва). Ну а самый скромный EUV фотолитограф ASML стоит миллионов так двести. Ну а те, что посовременнее, вообще идут по впечатляющей цене около полумиллиарда долларов за машину.
Следует отметить, что стоимость эксплуатации таких машин также существенно разнится, разумеется, не в пользу EUV техники. Чтобы сгенерировать 13,5 нм свет экстремального ультрафиолета, требуется мощнейший лазерно-плазменный источник. Потребление электроэнергии ртутной лампой, генерирующей ультрафиолетовый свет для 350 нм литографа (или альтернативного твердотельного лазера) просто не идёт с EUV источником ни в какое сравнение. В случае с EUV машиной необходима подача из сети электроснабжения порядка 1,5 МВт электроэнергии (чтобы на выходе сгенерировать «всего-то» 250 Вт EUV излучения, необходимого для эфективной работы самых «простых» EUV фотолитографов). При том, что мощность ртутной лампы, генерирующей 365 нм свет, обычно измеряется сотнями ватт. Неплохо по сравнению с мегаваттами.
А стоимость фотошаблонов? В EUV фотолитографах используются просто невероятно дорогие зеркальные фотошаблоны (обычно несколько сотен тысяч долларов за один шаблон, не говоря уже о целом комплекте для многослойной микросхемы). Причём особой долговечностью из-за воздействия агрессивного излучения и высоких температур они не отличаются. И «переводить» такие шаблоны на изготовление толстых слоёв микросхемы просто нерационально.
Какой из этого всего можно сделать вывод? Первый в истории России фотолитограф, выпущенный в прошлом году ЗНТЦ (при участии минского «Планара») может не просто использоваться в производстве стандартной для этой техники зрелых микросхем: МЭМС-датчиков, микроконтроллеров, силовых полупроводников. Наша 350 нм машина вполне может найти своё место в обойме фотолитографов полупроводниковых фабрик будущего, производящих ультрапередовые чипы искусственного интеллекта, «системы на кристалле» смартфонов и модульные «системы в корпусе» серверных процессоров. Конечно, для этого нам понадобятся и более передовые фотолитографы, но это уже другая история.
Статью про техпроцессы микросхем для космоса можно прочитать в премиум-разделе канала «Фотолитограф»: