Почему совсем тонким фломастером нельзя нарисовать все
Мы привыкли думать, что в производстве современных чипов чем тоньше техпроцесс, тем лучше. И действительно, в конце прошлого года на мощностях тайваньской TSMC началось серийное производство 2 нм «систем на кристалле» для смартфонов Apple. Звучит впечатляюще, особенно если представить, что все это делается с помощью света экстремального ультрафиолета (EUV) и нидерландских фотолитографов ASML - единственного мирового монополиста в этой сфере.
Но здесь есть один важный нюанс: тонким фломастером не очень-то удобно рисовать толстые линии. Это дольше и гораздо дороже. А ведь современные микросхемы - это не просто слой транзисторов на кремниевой пластине. Это многослойная конструкция, в которой количество слоев запросто может достигать сотни. И разные слои изготавливаются по разным техпроцессам, с использованием разных фотолитографов.
Смешивание и сопоставление: как устроена литография на фабриках
На полупроводниковых фабриках трудится целая сборная солянка из самых разных моделей фотолитографов: современных и не очень, только что установленных и давно амортизированных. Для такого подхода, когда каждому конкретному слою полупроводниковой пластины соответствует оптимальная рабочая световая волна, существует свой термин: «литография смешивания и сопоставления».
В полупроводниковой промышленности тонкие слои принято называть критичными, а толстые - некритичными. Звучит забавно, ведь микросхеме требуются все слои: хорошие и разные. Но смысл в том, что для формирования толстых медных структур внешних слоев, контактных площадок для соединения чипа с печатной платой, даже в ультрапередовых микросхемах не нужны техпроцессы в несколько нанометров. Здесь речь идёт о сотнях нанометров, а то и вообще о микронах.
Что из себя представляет чип: дорожная сетка в миниатюре
Чтобы понять, почему нужны разные фотолитографы, давайте посмотрим, что из себя представляет полупроводниковый чип. Внизу, непосредственно на пластине (чаще всего кремниевой), сформированы транзисторы. А выше идет сетка из проводов (чаще всего медных), проложенных в изолирующих слоях. Причем чем дальше от пластины провода, тем они толще.
Это напоминает дорожную сетку: сверху более редкие и широкие 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 слоев, и контактные площадки для соединения чипа с печатной платой, даже в ультрапередовых микросхемах не исполняются, как транзисторы, по техпроцессам в несколько нанометров. Здесь речь идет о сотнях нанометров, а то и вообще о микронах. 350 нм фотолитографы с задачей формирования таких структур справляются просто идеально.
Пассивирующий слой: последний штрих, который тоже не нанометровый
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.
Даже в самых передовых чипах для искусственного интеллекта, «систем на кристалле» смартфонов и модульных «систем в корпусе» серверных процессоров остаются слои, которые просто нецелесообразно делать по 2-нм техпроцессу. Это как строить скоростную магистраль для пешеходной дорожки — дорого, долго и бессмысленно.
Почему не поставить везде EUV-машины: вопрос цены и энергопотребления
И все 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 Ковалева. 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 идет 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 эффективной работы самых простых EUV фотолитографов). При том, что мощность ртутной лампы, генерирующей 365 нм свет, обычно измеряется сотнями ватт. Неплохо по сравнению с мегаваттами.
Фотошаблоны: еще одна статья расходов, которая бьет по кошельку
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 слоев микросхемы просто нерационально.
Это как рисовать дорогими масляными красками черновик - можно, но зачем, если есть доступные и надежные аналоги?
Российский 350 нм фотолитограф: место в обойме будущего
Опытный российский 350 нм фотолитограф в лаборатории Зеленоградского нанотехнологического центра отрабатывает техпроцессы. 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 свое 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.
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. В многослойной конструкции чипа каждому слою нужен свой инструмент, и 350 нм машины остаются незаменимыми для формирования толстых, некритичных слоёв.
Вывод прост: даже в эпоху 2-нм техпроцессов старые добрые 350 нм фотолитографы остаются важной частью производственной цепочки. И российский степпер — это не просто альтернатива, а полноценный участник глобальной полупроводниковой индустрии будущего.
Как вы считаете, сможет ли Россия стать полностью независимой от иностранных чипов, благодаря новому литографу? Делитесь своим мнением в комментариях.