18 октября 2022 года на сайте стратегии развития Нижегородской области появилась амбициозная программа разработки литографа, в котором заявлен как УЖЕ существующий результат:
уже благодаря одному только демонстратору получены отдельные изображения на подложках с разрешением до предельных 7 нм.
Так и некоторая дорожная карта проекта с ключевыми точками:
- К 2024 году должна быть разработана альфа-машина. По сути уже с этого момента установка станет рабочим оборудованием и будет рассчитана на проведение полного цикла операций. Однако упор на этом этапе будет сделан не на высокую скорость ее работы или разрешение, а на полноценную реализацию всех систем.
- К 2026 году альфу должна сменить бета. Все системы будут улучшены и усложнены, увеличится разрешение, повысится производительность, многие операции будут роботизированы. Установку уже можно будет применять на масштабных производствах
- На финальном этапе развития литограф приобретет более мощный источник излучения, улучшенные системы позиционирования и подачи, станет работать быстро и точно. Это должно случится уже в 2028 году.
Что может стоять за таким заявлением?
В Институте физики микроструктур Российской академии наук (ИФМ РАН) достаточно давно существует прототип "проекционного нанолитографа" с рабочей длиной волны 13,5 нм — то есть с такой же длиной волны, как и у последних литографах компании ASML (в разработке которых принимал участие российский ученый Константин Кошелев — что подтверждено патентом еще в 2000 году). В 2017 году ИПФ РАН отчитался об изготовлении многослойного зеркала молибден-бериллий-кремний, про который они сами заявили, что в многозеркальной системе литографа такая добавка на одном зеркале приведет к увеличению производительности литографического процесса на 29%. Отбросим пока разрешение в 7 нм — неизвестно, чего именно это размер (так можно и 0.7 нм получить). И отбросим, что просто получить 7нм — это не есть сделать (условно) транзистор на подложке. Так же очень обтекаемо описана скорость достижения результата.
Достаточно ли этого для производства литографа?
Нет. Литограф — это не только рентгеновский импульс, который может засветить фоторезист на пластине.
Кремниевая пластина (подложка, вафля) поступает в литограф с уже нанесенным фоторезистом, после этого, устанавливается манипулятором на специальный столик, который передвигается внутри аппарата с помощью магнитной левитации, далее по меткам, расположенным на пластине, она выставляется с нанометровой точностью и помещается под источник света, проходящий через фотошаблон. Собрать все это вместе воедино заняло у ASML несколько миллиардов долларов, 20 лет, сотрудничество с производителями со всего мира и высококлассными инженерами и учеными.
Давайте посмотрим на устройство литографа от ASML:
В очень (в очень) упрощенном варианте можно разделить литограф на несколько частей:
- Шлюз
- Сканер позиционирования
- Оптическая система
- Система подачи фотошаблонов
- Система передвижения столиков для подложек
1. Шлюз
Шлюз в литографе отвечает за "загрузку" и "выгрузку" подложек из аппарата. Герметичный бокс (так же называемый FOUP с кассетами на 25 пластин) пристыковывается к установке, манипулятор забирает пластину из бокса, помещает пластину в шлюз, откуда после откачки воздуха (точней, создания вакуума) ее забирает вакуумный манипулятор.
Подложка как загружается в аппарат из машины для нанесения фоторезиста, так и выгружается из него, уже засвеченная, для последующего травления, ионной имплантации, метрологии и т.д.
Во время производственных процессов, таких как травление, пластины, находящиеся в FOUP, извлекаются из изолированной среды FOUP и подвергаются воздействию различных химических веществ. После окончания процесса травления на пластинах остаются следы этих химикатов. Если их вернуть в FOUP, они загрязнят закрытую атмосферу остатками химикатов. Для исключения этого, пластины обдувают чистым воздухом и азотом.
2. Сканер позиционирования
В современном производстве чипов количество слоев может превышать сто. После каждого "прохода" технологической цепочки "экспонирование" ->"проявление" -> "травление" -> "смыв фоторезиста" -> "осаждение" (цепочка приведена условная) необходимо заново выставить пластину на столике на основе меток с нанометровой точностью, чтобы избежать несовпадение текущего слоя с предыдущим.
3. Оптическая система
Это и есть основа основ всего литографа — именно то главное, о чем говорят ученые из ИПХ РАН и на доведении до ума которого инженерам ASML понадобилось 20 лет и что предлагалось сделать в России десять лет назад. У них есть источник излучения, зеркала для его фокусировки (и, скорей всего магнитроны для их изготовления) и передачи "дальше" и, теоретически, мы уже можем экспонировать пластину через необходимый нам шаблон. Для этого необходимо все это построить в таком аппарате, как у ASML, сделать там вакуум, следить за загрязнением зеркал и обеспечить постоянство необходимого нам излучения с необходимой нам скоростью.
4. Система подачи фотошаблонов
На данный момент экспонирование подложек делается через фотошаблоны (которые изготавливаются по числу слоев микропроцессора). Нужно 100 слоев - необходимо сделать 100 фотошаблонов. Делают их долго (от трех месяцев до полугода) и стоят они более миллиона долларов. Это выгодно, если цена фотошаблона размазывается на все произведенные процессоры, но если их необходимо немного — то себестоимость чипа выходит заоблачной. У нас есть производство фотошаблонов до 180нм. В качестве альтернативы нидерландская компания Mapper Lithography разрабатывала многолучевую электронную литографию, которая позволяла переносить рисунок на кремниевую пластину напрямую с компьютера. Компания (в которую инвестировал и российский РосНано с условием строительства завода в России), к сожалению, закрылась, патенты скупил ASML. Завод в России по производству МЭМС построили и он работает. Его генеральный директор Денис Шамирян частый гость, например, на youtube-канале Droider. К сожалению пока технология по использованию многолучевой электронной литографии не используется нигде.
Безмасочной технологией так же занимался как раз ИПФ РАН и, помимо этого, по заказу Минпромторга, за 670 миллионов рублей, научно исследовательский институт МИЭТ проводит исследования для создания отечественного безмасочного литографа
5. Система передвижения столиков для подложек
Столики необходимо двигать под лучом, необходимо ставить их под сканер. У ASML они передвигаются с помощью магнитной левитации с нанометровой точностью. В СНГ подобные вещи мог делать белорусский "Планар" и закрытая сейчас уже компания "Лаборатория Амфора", чьи разработки, возможно, переданы на «Уральский оптико-механический завод» имени Э.С. Яламова» – одна из ключевых организаций Холдинга «Швабе», входящего в состав Государственной Корпорации «Ростех».
Что нам еще не хватает для фабрики?
Много чего. Аппараты для сухого травления, аппараты для ионной имплантации, машины для тестирования поверхности пластин, микроскопы, инженеры. И всё это должно быть объединено в единую систему, чтобы не надо было бегать с пластиной от одного аппарата к другому.
Необходим фоторезист
Сейчас неизвестно положение с отечественным химпромом — делают ли у нас необходимый фоторезист не на основе импортных полимеров. Толщина плёнки фоторезиста является одним из ключевых его параметров. Как правило, для получения высокого разрешения требуется толщина плёнки не более, чем в два раза превышающая требуемое разрешение и он должен реагировать на короткую длину волны.
У нас существует АО «НИОПИК» (правда, был до 8 июля 2022 года ФГУП НИОПИК ). В рамках раскрытия информации там явно указано:
Разработан эффективный проявитель для создания интегральных схем, в 2019 г. создана схема его наработки. Это позволило в 2020 г. реализовать его на сумму в 4,3 млн. рублей, что на 60% больше показателя 2019 г. В 2020 г. велись поисковые научно-исследовательские работы по разработке новых марок фоторезистов для микроэлектроники, в частности нового антиотражающего покрытия (АОП) для получения интегральных схем на 193нм.
Существует частная компания Фраст-М, которая заявляет о себе:
Компания является ведущим поставщиком фоторезистов для электроники на рынке СНГ. Поставки осуществляются более чем 200 предприятиям микроэлектроники, полиграфии, голографии, фармацевтики, русских народных промыслов.
Конечно, не известна степень "отечественности" этих фоторезистов — возможно все это делается на основе импортных субстратов, да и для появления фоторезиста для EUV нужны тоже исследования — низкое разрешение требует уже других материалов.
Необходима машина для нанесения фоторезиста
Центрифуга в аппарате дозирует фоторезист, а затем вращает пластину, создавая равномерный слой по мере вращения пластины. Толщина слоя контролируется скоростью ускорения (темпом) вращения, временем и вязкостью материала фоторезиста. После этого в машине должна происходить сушка пластины с нанесенным фоторезистом. О существовании таких машин в России неизвестно — конечно они есть в импортном исполнении в лабораториях и фабриках, которые занимаются производством чипов (все таки их есть несколько), но пока именно больших автоматизированных машин у нас не производят. Делают некоторые центрифуги для лабораторий, которые предназначены для небольших лабораторий.
Необходимы газы и химикаты
Азот для накачки и продувки, неон, гелий для теплопередачи, водород в качестве очищающего и экранирующего газа для EUV-литографии, CO2, чистый сухой воздух — все это необходимо чистейшего качества. 50% неона, например, делалось на украинских предприятиях «Криоин» и «Ингаз» из газа, поставляемого из России (как побочного материала от производства стали). TSMC решает сейчас проблему дефицита газов своей генерацией.
В России до февраля 2022 года присутствовало представительство французской компании Air Liquide, которое могло обеспечить какими-то газами производство, но сейчас идут разговоры о том, что компания передаст управление локальному менеджменту и вопрос о поставках газах остается открытым.
Т.е. необходимо здесь наладить очистку. Необходимы растворители для смыва фоторезистов, реактивы для всех процессов.
Кремниевые пластины
В России (и странах СНГ) нет пластин диаметром 300 мм. Мы выпускаем пластины до 150мм (и не в промышленных масштабах) методом бестигельной зонной плавки, которая хоть и дает максимально возможный чистый кремний, но диаметр пластины ограничен технологически (где-то заявлялось, что в мире могут получать и диаметр 200 мм).
На бывшей территории Подольского химико-металлургического завода, расположилась компания "Солар Кремниевые технологии", которая заявляла в 2018 году о "производстве монокристаллических и мультикристаллических кремниевых слитков и пластин". На 2021 год предприятие было вполне действующее, но уже в мае 2022 года появились сообщения о банкротстве (пока неизвестно, к чему они привели)
Холдинг «Росэлектроника» Госкорпорации Ростех представил на выставке «Иннопром-2022» образец монокристаллического кремния, созданного полностью из российских материалов, но его диаметр составил всего 107 мм, что, возможно, говорит о методе получения бестигельной зонной плавкой.
Для получения большего диаметра (300 мм и выше), необходимо использовать метод Чохральского. О производстве пластин на его основе пока ничего не известно. Есть установка Редмет-90 (как минимум на сайте) у института Гиредмет (структура Росатома), но работает она или нет, насколько она "импортозамещена" - неизвестно. Ну и, соответственно, выращенную методом Чохральского булю надо обработать, нарезать на пластины алмазной пилой, отшлифовать, отполировать и протестировать.
Метод Чохральского основан на введении монокристаллической затравки в расплав поликристаллического кремния. У нас его выпускают. Даже были попытки наладить масштабное производство (поликремний используется для производства солнечных панелей).
Какое-то время существовал и завод "Нитол" в Иркутской области, но завод признан банкротом и закрыт. На его месте сейчас происходит страшная экологическая катастрофа. У группы компаний "Титан" были инвестиции в завод про производству поликремния в Казахстане. Завод был запущен в 2010 году и проработал два года, но из-за его неэффективности владельцы не выполнили условия с БРК и остановили производство. В 2014 году завод получила «Тау-Кен Самрук», которая частично восстановила производство.
В 2021 году проходили новости о желании ГК "Хевел" построить завод в Чувашской республике для производства сырья (хотя планы построить завод с "Ренова оргсинтез" Виктора Вексельберга существовали еще в 2010 году). Там же, еще в 2001 году, ПАО "ХИМПРОМ" (в Новочебоксарске) планировал выпуск трихлорсилана, качества, достаточного для производства поликристаллического кремния.
Существовал так же проект, разработанный в Новосибирске, по получению поликристаллического кремния методом восстановления SiO₂ в плазме, о его судьбе сейчас ничего не известно.
Были так же какие то наработки (для массового производства) у московского ГНИИХТЭОС
Но до того как мы получим поликристаллический кремний — мы должны получить так называемый металлургический (технический) кремний (Mg-Si, Metallurgical-grade silicon).
В мае 2021 года компания «Титановая долина» одобрила проект строительства завода по производству технического кремния на площадке в Верхней Салде. Предприятие планирует запустить омская компания «Силарус». Производство кремния, начиная с 2009 года, пытались запустить в Омске, Златоусте и Новоуральске, но против строительства выступили их жители. Ожидалось, что завод будет выпускать технический кремний — 36 тыс. тонн в год.
Что у нас есть точно — это подходящие месторождения кремнезема. Например, гора Караульная (Антоновское) в Свердловской области, Черемшанское в Забайкалье. Месторождения сырья, необходимой чистоты находятся и в Рязанской области и в Воронежской (где, например, китайская компания собирается строить завод по производству карбида кремния, который может использоваться, в том числе, для производства силовой электроники).
Необходимо программное обеспечение
Необходимо предоставить fabless-компаниям данные, по которым они смогут выстроить топологию при разработке процессора — при проектировании необходимо учитывать технологические нормы фабрики. Для этого производитель предоставляет набор design rule check по которому fabless-компания и верифицирует свой процессор. Компании по разработке у нас есть и весьма достойные:
Да, многие из них лицензируют импортные ядра, но, тем не менее, наладить проектирование могут. Конечно, помимо запрета на лицензирование ядер встал вопрос о программном обеспечении — существует целый ряд САПР (специальных программ для автоматизации проектирования) электронных устройств (EDA), которые являются необходимым инструментом для разработки процессоров на каждом этапе — например, Cadence Design System, Synopsys, Mentor или бесплатный Magic, OpenLane.
В мае 2022 года консорциум «Базис», в который входят около десяти отечественных компаний, предложил подготовить стратегию развития российских САПР для электроники. Сумма предложения будет составлять около 20–30 млрд рублей.
В результате, на выходе, получается GDSII файл, который идет уже на на фабрики для изготовления масок и, затем, и микросхем.
Что еще?
Фабрику нужно построить — это виброзащищенный фундамент с определенными условиями, это энергоснабжение (фабрика потребляет мегаватты), это чистые комнаты (особая боль для производства, которое оперирует нанометровыми размерами) по стандарту, HEPA-фильтры, поддержание влажности, температуры, это вакуумные насосы (неизвестно, делает ли кто-нибудь их в России - учитывая весь цикл, от форвакуума до сверхвысокого вакуума) и арматура для них - фланцы, шланги (например, по стандарту CF), это система генерации и хранении газов для оборудования, это, в конце концов автоматизированная система управления с помощью MES - Manufacturing Execution System, которая запоминает где в какой момент находится определенная пластина, какой узел технологической цепочки сейчас необходим, останавливает или притормаживает определенные участки, хранит историю метрологии пластин и их соответствие спецификации и прочее, включая датчики кислорода в помещения, датчики низких частот (для изучения вибрации от, например, вакуумных насосов), показателей линейных двигателей манипуляторов, столиков для пластин — в общем всего, что необходимо сделать для полноценной работы предприятия от прихода пластины на фабрику, до загрузки ее в бокс для отправки на предприятие, которое занимается корпусированием.
Заключение
В короткой заметке, конечно, нельзя показать все сложности изготовления чипа, но что точно можно взять из этого короткого обзора — необходим менеджер, который сможет посчитать потребности рынка России, возможности fabless-компаний, сложить воедино всех производителей, разобраться с желаниями руководителей компаний, академиков, ученых перетянуть одеяло на себя и сварить борщ из всей технологической цепочки.