Когда в 2022 году ушли западные производители оборудования для микроэлектроники, многие в отрасли схватились за голову. Особенно болезненным оказался удар по так называемой эпитаксии — процессу, без которого современные чипы просто не растут. Представьте себе, что вы печете торт, но вам нужно нанести на него крем слоем в несколько молекул, причем идеально ровно. Вот примерно так же сложно выращивать кристаллические слои на кремниевых пластинах. В Минпромторге решили, что хватит сидеть сложа руки, и запустили два крупных проекта по созданию собственного оборудования. На них выделили почти два миллиарда рублей, а в качестве цели поставили замену сразу трех иностранных установок — американской Veeco, французской Riber и нидерландской ASM. Сроки, прямо скажем, напряженные: до 2029 и 2030 годов.
Расскажу по порядку, что это за проекты и почему за ними стоит следить не только инженерам, но и всем нам. В конце концов, от того, получится ли у российских разработчиков вырастить свои кристаллы, зависит, появятся ли в стране современные процессоры, телекоммуникационные чипы и даже компоненты для спутников и систем управления. Заодно разберемся, почему эти самые «эпитаксиальные установки» такие сложные и почему их создание — это не просто сварганить железный ящик, а решить кучу научных и технологических загадок.
Проект «Эпитаксия-SiGe»: почти полмиллиарда за аналог голландской машины
Начнем с того, что такое кремний-германий и почему он вообще нужен. Обычный кремний — хороший материал, но для некоторых задач он работает слишком медленно. Если добавить туда германий, получается сплав, в котором электроны бегают гораздо быстрее. Именно из таких сплавов делают быстрые транзисторы для сотовой связи, радаров и оптоволокна. Голландская компания ASM придумала установку Epsilon 2000, которая отлично умела выращивать такие слои на пластинах диаметром 200 миллиметров. Но теперь ASM поставки в Россию заблокировала, и пластины выращивать не на чем.
На проект «Эпитаксия-SiGe» Минпромторг выделил 463,7 миллиона рублей. Если пересчитать в человеческие деньги, это примерно как купить небольшой завод по производству чего-нибудь попроще, но тут задача посложнее. Исполнителю предстоит разработать не просто реактор, а целую систему. В техническом задании прописаны три главные вещи: сам реактор, где при высокой температуре растет кристалл; робот-загрузчик, который должен подавать пластины с такой точностью, чтобы не поцарапать их края; и модуль предэпитаксиальной очистки. Про очистку стоит сказать отдельно. Представьте, что вы собрались красить машину. Перед покраской ее нужно обезжирить и убрать все пылинки. А тут пластина — она в тысячи раз чище, чем любой автомобиль, и любая соринка размером в доли микрона испортит весь слой.
По данным CNews, работы должны закончить к июню 2029 года. Это чуть больше четырех лет с момента, как объявили проект. В мире такие установки обычно разрабатывают года три-четыре, но у фирм вроде ASM за плечами десятилетия опыта и сотни уже выпущенных машин. Российским инженерам придется буквально переизобретать колесо. Я разговаривал как-то с одним технарем, который работал с советским эпитаксиальным оборудованием. Он рассказывал, что в 80-е у нас были вполне работоспособные установки, но они делались на вакуумных насосах, которые гудели как тракторы. Сейчас требования по чистоте и точности выросли в сотни раз, так что просто взять старые чертежи не получится.
Что особенно интересно — в проекте требуют, чтобы робот-загрузчик был российским. Это не просто железная рука, которая хватает пластину. Пластины хрупкие, как очень тонкое стекло, диаметром 200 миллиметров, и весить они могут всего пару граммов. Робот должен чувствовать усилие, чтобы не раздавить край, при этом работать в вакууме и при перепадах температур. Такие роботы в мире делают всего несколько компаний, и все они раньше находились в Японии и Германии. Теперь нашим придется самим научиться.
«Цитадель» за полтора миллиарда: против американцев и французов одновременно
Второй проект называется «Цитадель» — название серьезное, и сумма под стать. Полтора миллиарда рублей на установку молекулярно-лучевой эпитаксии. Если первый метод похож на то, как вы наливаете тонкий слой краски из пульверизатора, то молекулярно-лучевая эпитаксия — это как рисовать каждым атомом отдельно. В вакуумной камере нагревают материалы до такой степени, что они начинают испаряться, и атомы летят прямо на пластину, оседая на ней ровными рядами. Процесс невероятно медленный — слой растет буквально со скоростью один атом в секунду, но зато качество получается космическое. Именно так делают лазерные диоды, высокочастотные транзисторы для радаров и некоторые типы датчиков.
Эта установка должна заменить сразу две западные машины — американскую Veeco GEN200 и французскую Riber 49. Обе компании десятилетиями лидировали в этом узком сегменте. Например, установки Riber можно найти в любой серьезной лаборатории, где занимаются полупроводниками. Их система позволяет одновременно использовать несколько источников — один для галлия, один для индия, один для алюминия и один для мышьяка или сурьмы. Смешивая эти потоки, можно вырастить слой с точно заданным составом. Российским разработчикам нужно будет создать аналогичную систему, причем с нуля.
В «Цитадели» отдельно подчеркивают, что критические узлы должны быть только отечественными. Какие это узлы? Во-первых, вакуумные камеры и насосы. Без идеального вакуума никакой молекулярный луч не долетит до пластины — все атомы просто рассеются об остаточный воздух. Камера должна откачиваться до давления, которое в миллиарды раз ниже атмосферного, и держать его часами. Во-вторых, молекулярные источники — те самые «печки», из которых вылетают атомы. Их нужно нагреть до тысячи градусов, но так, чтобы не перегреть соседние узлы и не допустить выбросов. В-третьих, контроллеры и программное обеспечение. Это не та программа, которую можно написать в Excel. Там управление идет в реальном времени: датчики снимают температуру, давление, скорости потоков, и система должна мгновенно подстраиваться.
Срок окончания — октябрь 2030 года. На первый взгляд, времени больше, чем у первого проекта. Но сложность «Цитадели» выше, и полтора миллиарда — это не такие уж большие деньги для задачи подобного уровня. Для сравнения, сама установка Riber 49 в нормальные времена стоила несколько миллионов евро, а разработка ее аналога с нуля в другой стране могла бы потянуть на десятки миллионов. В Минпромторге, видимо, рассчитывают, что задел советской школы еще не совсем потерян. Где-то в закрытых институтах хранятся старые разработки по молекулярно-лучевой эпитаксии. В 80-х и 90-х в Зеленограде и Новосибирске делали подобные системы, но потом их забросили. Теперь эти чертежи достанут с полок, отряхнут от пыли и попробуют переложить на современные компоненты.
Российские компоненты: главная головная боль или шанс для промышленности
В обоих проектах есть железное требование: критические узлы должны быть сделаны в России. Вакуумные камеры и насосы, молекулярные источники, запорно-вакуумная арматура, контроллеры — все отечественное. Исключения допускаются только после специального согласования с Минпромторгом. На первый взгляд, логично: зачем тратить бюджетные деньги, если потом выяснится, что вся установка на импортных болтах? Но на практике это превращается в настоящий квест. Где, скажем, взять российский вакуумный насос, который работает годами без обслуживания и не вибрирует? В советское время такими насосами славился Кировский завод, но после 90-х многое потеряно.
Тех, кто работал в советской микроэлектронике, осталось не так много. Многие уехали, многие сменили профессию. Но те, кто остался, говорят, что самое трудное — это даже не восстановить производство узлов, а научиться делать их с приемлемым качеством и повторяемостью. Одно дело — выточить вакуумную камеру в единичном экземпляре для лаборатории, и совсем другое — выпускать их десятками, с одинаковыми характеристиками, чтобы установки можно было ставить на заводе. В техзадании указано, что исполнитель должен предоставить не опытный образец, а готовое промышленное оборудование. То есть к 2029 или 2030 году на заводе кто-то уже должен работать на этой установке, выпуская реальные пластины.
В Минпромторге, судя по всему, понимают эти риски. Потому и оговаривают возможность использования иностранных деталей в исключительных случаях. Только вот за разрешением нужно будет идти в ведомство и доказывать, что ни одного российского аналога нет и в ближайшие годы не предвидится. На это уйдут месяцы, а сроки проекта не резиновые. Некоторые разработчики ворчат, что проще было бы взять китайские насосы и контроллеры — они дешевле и доступнее. Но чиновники настаивают на своем: либо мы создаем полную цепочку сейчас, либо так и будем сидеть на импорте, пусть даже не западном, а китайском. А Китай, если что, тоже может перекрыть кран в любой момент.
И все-таки шанс на успех есть. Россия сохранила хорошие институты вроде Института физики микроструктур РАН в Нижнем Новгороде или Физико-технического института имени Иоффе в Петербурге. Там продолжают заниматься эпитаксией, правда, в основном на старом оборудовании и для научных целей. Если к этим ученым добавить толковых инженеров-машиностроителей с заводов, возможно, получится то, что нужно. Главное — чтобы деньги дошли до реальных исполнителей, а не застряли в подрядчиках. Суммы в 463 миллиона и 1,5 миллиарда рублей для такой сложной техники не гигантские, но и не маленькие. В мире похожие проекты стоили бы в несколько раз дороже. Но у нас, как известно, иногда умеют делать невозможное за копейки — был бы спрос и правильная постановка задачи.
Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новые статьи и ставьте нравится.
