Наступает эра российской микроэлектроники: как догнать лидеров?

Производство самой передовой электроники с топологическими нормами меньше 5 нм сегодня возможно только на оборудовании голландской компании «ASML».

"ASML" - единственная в мире компания, владеющая системами и технологиями, которые способны давать излучение с длиной волны в 13,5 нм (EUV), пригодное для фотолитографии.

EUV-литография в настоящее время является полностью уникальной технологией. Другие компании также производят системы для литографии, но именно "ASML" лидирует в полупроводниковой индустрии.

TWINSCAN NXE: 3600D - это система литографии последнего поколения, поддерживающая объёмное производство топологических элементов 5 и 3 нм.

Разработка нового литографического оборудования на основе технологии сверхжёсткого ультрафиолетового излучения началась в 1994 году. За 17 лет "ASML" инвестировала более 6 миллиардов евро в исследования и разработку EUV.

В августе 2006 года первый в мире демонстрационный инструмент для EUV-литографии был отправлен в колледж наноразмерных наук и инженерии в Олбани (США) и в IMEC в Левене (Бельгия).

В 2010 году была представлена первая в мире предсерийная система EUV - "TWINSCAN NXE: 3100".

В 2013 году начались первые серийные поставки "TWINSCAN NXE: 3300".

Как только стало окончательно понятно, что новая литографическая технология станет самой совершенной и недосягаемой ни для кого более в мире, в компанию стали инвестировать миллиарды долларов такие крупные производители, как Intel, Samsung и TSMC.

На сегодня больше нет каких-либо серьёзных разработок аналогов технологии EUV, которые могли бы в будущем конкурировать с продуктами компании "ASML".

Литографическое оборудование – это самый важный элемент в создании передовых топологических норм, и без него дальнейшее развитие микроэлектроники невозможно.

Приобрести данные машины можно только с разрешения правительства Нидерландов, которые, в свою очередь, учитывают позицию США. Так, в Россию даже до введения санкций поставка передовых литографов была негласно запрещена, а с 2014 года вообще стала невозможной..

• Под давлением США с 2019 года была запрещена продажа передового литографического оборудования Китаю.

По сути, EUV-системы могут закупать только избранные страны и компании, коими являются лидеры отрасли микроэлектроники - Intel, Samsung и TSMC.

К чему всё это? От начала разработок до серийной системы прошло 19 лет, и были потрачены миллиарды долларов инвестиций.

Недавно стала известна новость, что в России разрабатывают аналог технологии EUV - отечественный литограф с длиной волны менее 13,5 нм.

EUV означает ‘экстремальный ультрафиолет’. Это относится к длине волны света. Свет глубокого ультрафиолетового излучения (DUV), используемый в производстве чипов, имеет длину волны 248 и 193 нм, тогда как свет, используемый в EUV-литографии, имеет длину волны 13,5 нм (фиолетовая линия в УФ диапазоне).

Заявлено, что уже создан рабочий образец-демонстратор, способный формировать наноструктуры до 7 нм.

Промышленный образец отечественного литографа на 7 нм планируется создать через шесть лет.

• На первом этапе, в 2024 году, будет создана «альфа-машина». Такая установка станет рабочим прототипом, на котором будут отрабатывать полный цикл операций.
• На втором этапе, с 2026 года, появится «бета-машина». Это будет уже полностью рабочий образец, который будут доводить до промышленного производства и автоматизации всех процессов.
• И на третьем этапе, к 2028 году, отечественный литограф получит более мощный источник излучения, а также улучшенные системы позиционирования и подачи, и начнёт полноценную работу.

Как-то странно всё это звучит, особенно в условиях тотального санкционного давления в сфере микроэлектроники и запрета на поставки любого подобного оборудования.

Компании "ASML" для разработки фотолитографов нового поколения понадобилось 19 лет с полной свободой действий и с привлечением инвестиций в десятки миллиардов долларов. А в России желают пройти тот же путь всего за 6 лет и без десятков миллиардов долларов инвестиций?

Этой новостью стали восторгаться многие интернет-издания и профильные ресурсы. Однако каких-либо подробностей представлено не было, что вызвало здоровый скептицизм у некоторых блогеров и различных критиков любых российских технологий.

• Вот я и решил разобраться: взброс ли это был, или всё же есть реальные перспективы.

В Институте прикладной физики Российской Академии Наук (ИПФ РАН) в Нижнем Новгороде ведётся разработка литографической установки. В 2011 году был построен образец-демонстратор литографа с рабочей длиной волны 13,5 нм. Это был испытательный стенд в рамках проводимых фундаментальных научных исследований.

Действительно, в 2011 году был создан реально работающий образец.

Технология подтвердила свою работоспособность, что ознаменовало появление в России ключевых технологий, позволяющих разрабатывать и производить литографическое оборудование для диапазона длин волн в окрестности 13,5 нм.

Самое интересное тут то, что подобная длина волны является более подходящей для топологии 14 нм и менее, а использовать такие литографы на больших топологиях – 28 более нм – нецелесообразно из-за сложности и дороговизны оборудования.

То есть тут сразу идёт задел на минимальные размеры – до 1-2 нм.

Стендовый образец явно усовершенствовался, и главным новшеством является получение экстремального ультрафиолетового излучения, что добавляет больше сложностей по сравнению с традиционным ультрафиолетовым диапазоном. Тут требуется совершенная оптика, а сам источник излучения не должен загрязнять зону, где идут рабочие процессы.

Для генерации экстремального ультрафиолетового излучения (EUV) в установках компании "ASML" используется CO2-лазер, который излучает два отдельных лазерных импульса на быстро движущуюся каплю олова. Это испаряет олово, превращая его в плазму, которая и создаёт свет диапазона EUV. Подобная операция совершается до 50 000 раз в секунду. Затем несколько многослойных зеркал собирают этот свет и перенаправляют его на пластину, уменьшая рисунок в четыре раза. Совершенствуя системы проекционной оптики, удаётся получать всё более совершенную топологию: разрешение было повышено с 7 нм до 3. Идёт разработка новой проекционной оптики для EUV-системы, способной получать топологию в 2 нм.

При этом все эти проблемы нужно было решить уже на этапе создания демонстратора.

Но может ли российский институт решить задачи, которые потребовали от нидерландской компании много времени, денег, а также сотрудничества с самыми передовыми компаниями и институтами США в области микроэлектроники?

Если отвечать с наскока, то НЕТ. И больше никто в мире пока не пытается достигнуть схожих результатов, понимая, какие усилия понадобятся для разработки своих аналогов этой системы.

Однако есть только одно условие, при котором это возможно – самые передовые фундаментальные исследования в нужных областях.

Ну, и что там у нас в этом направлении?

Институт прикладной физики Российской Академии Наук для многих, на удивление, является лидером по многим фундаментальным исследованиям, в том числе и в области лазерных и оптических технологий.

ИПФ РАН. Лазерный комплекс "PEARL".

Например, уникальная научная установка "PEARL" (PEtawatt pARametric Laser) была первым в мире лазерным комплексом петаваттного уровня мощности, основанном на параметрическом усилении фемтосекундных импульсов.

В настоящее время на основе полученного при создании системы "PEARL" опыта в ИПФ РАН строится лазерный комплекс "PEARL-10" мощностью более 5 ПВт. Разработана концепция экзаваттного лазерного комплекса – проект XCELS, включённый в число шести российских проектов класса мегасайенс (крупные дорогостоящие международные научные и исследовательские комплексы), для реализации на территории страны в предстоящее десятилетие.

Появление таких источников открывает новые горизонты для фундаментальных исследований и уникальных технологий.

В 2018 году учёными ИФМ РАН была опубликована работа, в которой были представлены экспериментальные данные по лазерно-плазменному источнику рентгеновского излучения на основе ксенона.

Научная работа учёных и специалистов ИФМ РАН, рецензируемая и опубликованная на научном американском ресурсе.

В 2018 году учёными ИФМ РАН была опубликована работа, в которой были представлены экспериментальные данные по лазерно-плазменному источнику рентгеновского излучения на основе ксенона.

В работе были наглядно продемонстрированы результаты, полученные нашими учеными в достижении инновационного метода нанолитографии – безмасочной рентгеновской литографии на длине волны 6,7 нм.

Судя по публикации, были обнаружены два устойчивых режима работы источника.

Вместо расплавленного оловянного источника, применяемого в проекционной литографии компанией "ASML", в российской разработке применяется мишень на основе ксенона. При сравнимой эффективности это существенно упрощает конструкцию источника и лазерную систему, минимизирует загрязнение оптических элементов, уменьшает рабочую длину волны на 20% при работе на длине волны 10,8 нм, и в 2 раза – на длине волны 6,7 нм.

Разумеется, уменьшение длины волны пропорционально повышает разрешающую способность литографа.

В общем, учёные из США сошлись во мнении, что литограф на основе российской разработки будет в 1,5-2 раза эффективнее, чем у компании "ASML".

В арсенале института имеются рентгеновские зеркала, которые успешно там выпускают, лазерно-плазменный источник рентгеновского излучения и сам прототип установки, на которой уже получены первые структуры размером в 7 нм.

Вот этот самый лазерно-плазменный источник рентгеновского излучения в ИФМ РАН.

То есть рентгеновская литография становится реальностью. Если удастся всё воплотить в срок, то появится первая в мире рентгеновская фотолитографическая установка, работающая в диапазонах волн 10,8 и 6,7 нм с разрешающей способностью до 1 нм.

Демонстрационный стенд уже сегодня имеет длину волны 11,3 нм, что превосходит показатели компании "ASML". Обратите внимание, что используется оптический элемент, способный фокусировать рентгеновские лучи, а не отражать их, как это сделано в установках компании "ASML". Рентгеновская оптика была разработана совместными усилиями института и корпорации "Росатом".

Фрагмент рентгеновской линзы.

В том-же 2018 году, Российские ученые из ИФМ РАН опубликовали исследования "Эффективность преобразования лазерно-плазменного источника на основе Xe-струи в области длины волны 11 нм", где были показаны результаты практического применения в литографии, которые были воспроизведены на демонстрационном стенде.

Схема той самой демонстрационной установки, на которой были получены 7 нм структуры, с длинной волны 11,3-10,8 нм. И это было ещё в 2018 году.

Но это только один из путей развития российской технологии фотолитографии. Есть ещё одно направление безмасочной EUV-фотолитографии, а именно использование синхротронного излучения в качестве основного источника в литографическом оборудовании.

И в России в марте 2022 года по заказу Минпромторга преступили к разработке концепции безмасочного рентген-фотолитографа с длиной волны менее 13,5 нм на базе синхротронного источника. На эти работы было выделено 670 миллионов рублей.

Синхротронное излучение создаётся в синхротронах - накопительных кольцах ускорителей - при движении заряженных частиц.

В работу включены МИЭТ, зеленоградская компания ЭСТО и зеленоградский синхротрон — ныне технологический накопительный комплекс (ТНК) «Зеленоград» НИЦ «Курчатовский институт».

Упрощённая схема литографа на базе синхротронного излучения.

• Фотолитография на базе синхротронного излучения должна появиться через 5-10 лет.

Примечательно, что синхротронное излучение является следующим этапом развития технологии фотолитографии, благодаря которой можно достигать топологии транзисторов меньше 1 нм. Вот только к фабрике должен быть пристроен ускоритель частиц.

Так как на синхротроне можно достичь устойчивого излучения ещё меньшей длинный волны в рентгеновском диапазоне, то технология будет являться конечной эволюцией в литографическом оборудовании, где производимые наноструктуры будут подведены к теоретическому пределу (менее 1 нм), когда дальнейшее уменьшение будет невозможно.

• Дальнейшая технология будет развиваться по пути «слоёного пирога» - транзисторы можно будет расположить только один над другим.

А это уже совершенно иной уровень, представляющий собой атомно-микроэлектронную отрасль.

Хотя, чему удивляться, "Росатом" уже занялся разработкой квантовых компьютеров и создал новый дивизион по электронике, куда вошли «АСУТП и электротехника» и АО «Русатом Микроэлектроника».

Сегодня больше 50% всей электроники в мире (в том числе - автомобильной, космической и индустриальной) производится по нормам 360-180-65 нм.

По этим нормам в России создаются собственные литографы, благодаря чему закрывается весь спрос в электронике.

Более подробно об этом я писал в статье, в том числе про то, что топология "3 нм" - это просто коммерческое название и данная технология не предполагает само уменьшение геометрии транзистора:

И традиционно от жителя Зеленограда, кем я являюсь, фото первой в России строящейся фабрики для выпуска процессоров по технологии 28 нм и меньше.

Работы идут без остановки.

Уже добрались до кровли. Стройка явно идёт с опережением сроков, так как сдача объекта была запланирована на конец 2024 года.

Злые языки говорили, что стройку законсервируют после введения санкций. Но, как видите, она только ускорилась.

А через дорогу от строящейся фабрики возводится общежитие гостиничного типа (1 класса) для проживания высококвалифицированного персонала, который будет работать на фабрике.

В заключении можно сказать следующее: в России будут свои литографы, будет своя фабрика и будут свои процессоры. Иначе не будет России...

Постскриптум.

США ранее ввели санкции против ведущих научных институтов России, в том числе против ИФМ РАН.

=============================================

Статьи выходят благодаря поддержке подписчиков-спонсоров. Для спонсоров всегда открыто приватное обсуждение, все ссылки на источники и исследования используемые в основе моих статей. Спасибо друзья за поддержку канала!

Статья для спонсоров:

=============================================

«Поддержать канал, за полезные статьи»