Политик Аналитический блог
TWINSCAN NXE: 3600D — это система литографии последнего поколения, поддерживающая объёмное производство топологических элементов 5 и 3 нм.
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.
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.
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.
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.
В заключении можно сказать следующее: в России будут свои литографы, будет своя фабрика и будут свои процессоры. Иначе не будет России…
Кочетов Алексей
https://dzen.ru
