Новая эра российской микроэлектроники: создан первый со времен СССР отечественный литограф. Сравним его с китайской новинкой

Заместитель министра промышленности и торговли России Василий Шпак сообщил, что первый российский литограф уже создан и проходит испытания.

С его помощью можно выпускать большеразмерные чипы с топологией в 350–130 нм. Следующим шагом станет литограф на 90–65 нм.

Первое, что нужно понимать, — это полная утрата Россией компетенций по разработке классических фотолитографов — ключевой технологии производства микроэлектроники.

Дабы начать возрождение этой технической отрасли, в 2021 году были выделены почти 6 миллиардов рублей на разработку, по сути, аналога литографической машины компании ASML «PASCAL 5500/300C» 2002 года выпуска.

ОКР "Разработка и изготовление установки проекционного переноса изображений топологического рисунка ИС на пластину (Step&Repeat)  и источников излучения с длиной волны 193 и 248 нм, постановка базовых технологических процессов проекционного переноса изображений на пластину (Step&Repeat) с размером минимального конструкционного элемента 130 нм", шифр "Прогресс ППИ 130"

ASML‏ "PAS 5500"

Так как компетенции были полностью утрачены, то вот просто так взять и создать собственный литограф, пусть даже 22-летней давности, не получится.

И пример тому — Китай, который выпускает собственные фотолитографы, способные производить 90-нм топологические структуры, и вот уже 15 лет не может разработать фотолитографическую машину для более тонких техпроцессов.

В Википедии, кстати, приводят неверную информацию, так как никаких 28 нм структур формировать китайские фотолитографы не способны:

28 нм они производят — это ложь.

Который год новостные издания заявляют о разработке нового фотолитографа на 28–14 нм, но воз и ныне там.

Литограф «создан», потому его никто так и не увидел.

В реальности в 2024 году ничего подобного в Китае так и не появилось.

The Chinese company "Shanghai Micro Electronics Equipment Group (SMEE)"

Почему до 90 нм?

Потому что это, можно сказать, «форсированная машина», где использует проекционный объектив с четырехкратным уменьшением увеличения, то есть из технологии 280 нм выжили техническими ухищрениями 90 нм.

Хотя есть сведения, что «SSX-600» оснащены фторид-аргоновым (ArF) эксимерным лазером, излучающим когерентный ультрафиолетовый свет с длиной волны 193 нм, правда, западного (а точнее, японского) производства, но тогда еще больше непонятно, что за проблемы возникли у Китая при совершенствовании этой технологии до 65 нм и менее.

Нынешний ассортимент литографов голландской компании ASML, которые разрешены к поставке в Китай, демонстрирует, что при длине волны 193 нм можно сразу достичь техпроцесса до 38 нм, а при длине 248 нм — до 80 нм.

Как видим для разработки более передового фотолитографа на 45-28‏ нм требуется разработка нового эксимерного лазерного источника с длиной волны 193 нм.

• После запрета США на продажу в Китай передовых фотолитографов с длиной волны 13,5 нм у китайских разработчиков возникли серьезные трудности с созданием собственного аналогичного фотолитографа. Кроме того в 2024 году, под запрет попали фотолитографы с длиной волны 193 нм и технологии для их производства, в том числе лазерные источники, что еще больше осложнило задачу.

Китай отстаёт от мирового лидера в создании фотолитографов, голландской компании ASML, более чем на 19 лет, и это отставание продолжает расти. Чтобы сократить разрыв, Китай вкладывает значительные средства в разработку и создание фотолитографа со сверхвысоким разрешением, который будет способен формировать топологию до 28 нм.

На данный момент Китай уже вложил в эту технологию более 5 млрд долларов, но этого оказалось недостаточно. Недавно был объявлен пакет помощи полупроводниковой промышленности на сумму 143 млрд долларов.

Это в два раза больше, чем у аналогичного пакета субсидирования микроэлектронной отрасли в США.

То есть проблема создания и освоения новых технологий в микроэлектронике не имеет прямой зависимости в финансировании, то есть проблемы тут явно не в деньгах, а в сложности самой технологии, которую вот так просто с наскока не освоить.

Потому Зеленоградскому нанотехнологическому центру (ЗНТЦ), которому выделили финансирование на разработку первого российского фотолитографа, активно помогают специалисты минского предприятия «Планар».

«Планар»‏ — это было единственное‏ предприятие в СССР, специализирующееся‏ на промышленном‏ производстве‏ литографического оборудования. К счастью,‏ оно смогло‏ сохраниться и дожить до нынешних‏ дней и не потерять компетенций хотя бы в этих уже устаревших технологиях, в отличие от российского «Микрона».

Модельный ряд оборудования «Планар».

На текущий момент оборудование завода «Планар» в состоянии производить степперы на 350 нм, работающие на ограниченном поле, есть даже безмасочные степперы.

• Степпер — это разновидность литографической установки (фотолитографа).

Потому, кто бы что ни говорил, но создание литографа ЗНТЦ, аналогичного по техническим характеристикам выпускаемым на «Планаре», всего за 1,5 года (и за жалкие 11 миллионов долларов) — это довольно внушительный результат.

• Общая сумма финансирования программы разработки — 67 миллионов долларов (выдаётся частями, например, в 2021 году выдано 11 миллионов долларов).

Сведения из конкурсной документации по разработке фотолитографа.

Экспериментальный литограф ЗНТЦ будет работать на длине волны 248 нм, так же, как и китайские машины.

При этом за полтора года с нуля были разработаны следующие компоненты:

— Разработаны составные части технических проектов;

— Изготовлены макеты ключевых узлов установки;

— Разработана конструкторская, технологическая, проектная и эксплуатационная документация;

— Изготовлен технологический стенд;

— Изготовлен опытный образец эксимерного лазера с источником излучения 248 нм;

— Изготовлен опытный образец эксимерного лазера с источником излучения 193 нм;

— Изготовлен опытный образец установки с источником излучения 365 нм.

Опытный образец позволяет создавать чипы с топологией 350 нм.

Общие характеристики установки (сведения из конкурсной документации по разработке фотолитографа).

До 2026 года будет создана установка с длиной волны излучения 193 нм, способного формировать топологию чипов в 80 нм.

Характеристики лазерного источника созданного экспериментального литографа.

Характеристики будущего литографа.

18 сентября 2024 года пришло уже наглядное подтверждение, когда Василий Шпак посетил ГК «Лассард» (Российские лазерные системы), где ему были продемонстрированы уже произведенные опытные образцы эксимерного лазера.

Первый лазер с длиной волны 248 нм (ультрафиолет, MUV), который предназначен для создания чипов размером до 130 нм.

Заместитель министра промышленности России Василий Шпак посетил ЛАССАРД

Второй лазер - с длиной волны 193 нм (глубокий ультрафиолет, DUV) для применения в литографических сканерах с технологической нормой до 80 нм.

Только две компании в мире производят подобные лазерные установки — это японская GigaPhoton и американская Cymer. Китай таких лазеров не производит.

Планируются провести полный цикл испытаний в 2025 году, а в 2026-м наладить серийное производство.

• Литограф с длиной волны излучения 193 нм, способного формировать топологию чипов в 80 нм, должен быть создан до 2026 года, так что по срокам разработки укладываемся вовремя, хотя, конечно, некоторый сдвиг в сроках вполне вероятен.

Хоть это и не заявлено в технических требованиях, но использование источника излучения, который даёт длину волны 193 нм, претендует на возможность в будущем перейти на более тонкие техпроцессы в 65-28 нм.

Что подтверждается словами Василия Шпака, который ранее сообщил, что в настоящее время активно ведутся опытно-конструкторские работы для компонентов литографических линий, использующих технологии 90 и 65 нанометров.

На АО «Микрон» с 2015 года присутствует экспериментальная линия, где отрабатывается технология 65 нм. Можно даже заказать свои изделия под 65 нм техпроцесс, правда, пока слишком большой выход брака, чтобы говорить о серийной технологии.

Разумеется, справедливо возникает вопрос: а зачем нам разрабатывать литографы со столь отсталыми технологическими характеристиками? Ведь что такое 90 или 80 нм в 2027 году, когда та же «TSMC» или «Интел» собирается к этому времени получить первые предсерийные образцы чипов с топологией 1,4 нм.

• 130 нм, по сути, это передовые технологии 2001 года. Но всё же большинство производства тогда приходилось на нормы 750-350 нанометров.

Так вот, даже сегодня техпроцесс больше 130 нм превышает объем рынка более передового техпроцесса на 90–45 нм, так как нормы 600–130 нм применяются в так называемых «большеразмерных решениях»: в автопроме, энергетике, телекоммуникациях и т. д.

• То есть технические нормы, разрабатываемые сегодня в России, 350–80 нм, будут еще очень долго актуальными, по крайней мере до 2050 года.

Объем мирового рынка техпроцессов больше 130 нм находится фактически на одном уровне с более тонкими техпроцессами.

Техпроцесс больше 200‏ нм всё‏ еще‏ очень‏ востребован в мире, а нормы от 200 до 65‏ нм‏ — это почти половина всех выпускаемых интегральных схем в мире.‏

Большинству товаров народного потребления не требуются передовые техпроцессы, а в военной или космической продукции вообще желательно, чем больше техпроцесс, тем лучше, до разумных пределов, разумеется.

Там важна защищенность и отказоустойчивость, реализовать которые намного проще при топологических нормах более 90 нм.

• Техпроцессы‏ от 600‏ до 350‏ нм используются в‏ отдельных автомобильных микросхемах, высоковольтных микросхемах управления питанием и прочих продуктах‏ со смешанным‏ сигналом.

• Нормы‏ от 350 до 180 нм используются в высоковольтных микросхемах для драйверов небольших панельных дисплеев и мобильных модулей управления питанием.

• Нормы 180 — 90 нм для использования в отдельных автомобильных микросхемах, высоковольтных микросхемах управления питанием и устройствах смешанного сигнала со встроенной технологией энергонезависимой памяти и т. д.

Большинство компонентов систем Wi-Fi и Bluetooth, 4G и 5G и даже 6G связи созданы по технологическим нормам 180, 110 и 90 нм.

Без всего этого обойтись нельзя, потому подобные проектные нормы будут еще долго востребованы.

Более того, даже современные предприятия микроэлектронной промышленности, которые могут похвастаться передовыми технологиями, используют, на первый взгляд, устаревшие нормы. Например, американская компания «GlobalFoundries» производит интегральные схемы с проектными нормами от 600 до 12 нанометров.

Наиболее передовые технологии компании — это производство с нормами 14 и 12 нанометров. Однако компания не смогла освоить техпроцессы на 10 и 7 нанометров и отказалась от дальнейших разработок в пользу более зрелых техпроцессов в силу их большего потенциала на потребительском рынке.

• Например, «GlobalFoundries» в 2017 году запустила две дополнительные линии по производству техпроцесса на 110–350 нм.

Большая часть производства европейской компании «STMicroelectronics» базируется на техпроцессах 180, 130, 90 и 65 нм. В мире всего три компании, которые смогли освоить массовое производство интегральных схем по техпроцессу менее 10 нм — это «TSMC» (Тайвань), «Samsung» (Южная Корея) и «Intel» (США).

Все остальные крупнейшие контрактные производители микросхем в мире обладают следующими передовыми технологиями:

• Компания‏ «GlobalFoundries» (США)‏ с заводами в США, Германии‏ и Сингапуре‏ (техпроцесс 14-12‏ нм);

• «STMicroelectronics» - 65-28 нм;

• Компания‏ UMC‏ (Тайвань) с заводами‏ на Тайване, в Китае‏ и Сингапуре,‏ специалисты‏ которого сейчас работают в России (техпроцесс ‏14 нм);

• Компания «SMIC» — самая передовая национальная компания Китая (техпроцесс 22-14‏ и мелкосерийно 7 нм);

• Компания‏ «TowerJazz»‏ (Израиль),‏ имеющая заводы‏ в Израиле и США (техпроцесс 45‏ нм);

• Компания «HH Grac» (Китай) с заводами в Китае (техпроцесс ‏90 нм);

• Компания «VIS» на Тайване (техпроцесс 110 нм);

• Компания «Powerchip»‏ на Тайване‏ (техпроцесс 20 нм);

• Компания «Dongbu HiTek» на Тайване (техпроцесс 90 нм).

• В Японии‏ самыми‏ передовыми нормами в 15 нм обладает компания «Kioxia»‏, выпускающая продукцию‏ «SanDisk».

Фабрики SMIC (Semiconductor Manufacturing International Corporation) — китайская компания, занимающаяся производством микроэлектроники. Крупнейшая микроэлектронная компания континентального Китая.

Стоит ли говорить, что 90% всего литографического оборудования, установленного на этих мировых фабриках, сделано в ASML?

• У китайской SMIC так вообще 100% литографов от ASML.

Потому тот факт, что в нашей стране наконец-то сделали первый шаг к технологической независимости — разработали собственный литограф, — это большой успех.

В России ведётся разработка рентгеновской фотолитографии (EUV) с длиной волны 11,2–13,5 нанометра. Технологические нормы составят 28 нанометров и меньше, вплоть до единиц нанометров. В этом проекте планируется использовать ряд инноваций по сравнению с EUV-литографом компании ASML.

• Первый рентгеновский экспериментальный фотолитограф должен появиться в 2026 году.

Как бы странно это ни звучало, но научного и технического задела по самой передовой рентгеновской литографии у России больше, чем по обычным ультрафиолетовым литографам.

• Рентгеновская литография, или EUV-литографы, — это отдельный класс машин, сильно отличающихся по своим технологическим решениям от обычных литографических машин на лазерах с длиной волны в 248 и 193 нм.

EUV-литографы производит только нидерландская компания ASML, и, возможно, в 2030 году будет производить еще одна компания — из России.

Все остальные компании из США и Японии, пытаясь освоить EUV-литографию, потерпели сокрушительное фиаско на разных этапах.

• Так, японские технологические гиганты Nikon и Canon удалось создать действующие прототипы EUV-литографа, способного формировать структуры до 32 нм и менее, но не удалось решить ряд технических проблем, одной из которых было загрязнение рабочей зоны.

• В США, наоборот, решили проблему загрязнения, но им не удалось повысить разрешающую способность из-за малоэффективной системы отражения рентгеновских зеркал.

• Голландская ASML, которой удалось решить все проблемы и стать монополистом в EUV-литографии, использовала наработки США по лазерным и оптическим системам (они купили американского производителя лазерного оборудования), а также передовые немецкие и российские оптические технологии, что и позволило им решить все проблемы.

ASML использовала российские линзы в прототипах EUV-машин, в серийных образцах используются линзы немецкой компании.

Осенью этого года в Институте физики микроструктур Российской академии наук (ИФМ РАН) состоится долгожданная презентация рабочего образца наносекундного лазера мощностью 60 Вт, разработанного в Институте прикладной физики РАН (ИПФ РАН). Этот лазер станет ключевым элементом источника экстремально-ультрафиолетового (EUV) излучения, который будет использоваться в новом российском рентгеновском фотолитографе.

Сама технология получения 11,2 нм излучения в России уже создана, наряду с рентгеновской линзой 400-кратного увеличения (мировой рекорд).

Уже созданный российский фотолитограф, предназначенный для изготовления микросхем с размером топологических элементов 350 нанометров, представляет собой установку весом 3,5 тонны и габаритами 2х2,6х2,5 метра. В состав этого устройства входят оптико-механическая система, объектив лазера с рабочей длиной волны 365 нм и широкий управляющий комплекс, в том числе автоматическая подача 200 мм кремниевых подложек.

И еще раз смотрим на литографы которые сегодня продает ASML и видим 365 нм.

Внедрение созданного в ГК «ЛАССАРД» эксимерного лазера с длиной волны 248 нм позволит добиться 130 нм техпроцесса на уже созданной установке.

Если быть точным, то 248,413 нм (фото ГК «ЛАССАРД»)

Что‏ касается‏ фотолитографа‏ Китая на 28 нм, он все же должен появиться,‏ хотя бы просто потому, что они‏ туда нереальное‏ количество денег‏ уже вбухали (в 450 раз! больше, чем на аналогичную разработку в России), однако последние новости говорят о прототипе, который достиг разрешения в 65 нм.

Недавно Министерство промышленности и информационных технологий Китая опубликовало документы, касающиеся разработок отечественной литографической машины.

И так за 5 млрд долларов и 10 лет разработки им пока так и не удалось создать полноценный мере аналог литографу ASML 2005 года выпуска.

Это модели уже 19 лет, но она всё еще очень востребована.

Судя по опубликованным данным, новейший китайский литограф, который проходит испытания, относится к классу систем литографии в глубоком ультрафиолете (DUV), на длине волны 193 нм.

Сообщается, что новый станок для литографии со сверхразрешением создан при участии научно-исследовательского института оптоэлектроники Китайской академии наук.

Китайская машина Huaguang способна производить полупроводники по техпроцессу 65 нм. Однако старые голландские машины всё равно остаются лучше, потому что в спецификации Китая указано, что литографические линзы со сверхвысоким разрешением имеют наложения в 8 нм против 2,5 нм у голландского старичка.

Тут фигурируют цифра в 28 нм, но это не техпроцесс, а разрешения машин проявки и плазменного травления. Сам литограф — 65 нм.

Вот только есть небольшой нюанс: лазер там стоит японский. США пока разрешают Японии поставлять лазерные компоненты в Китай.

Постскриптум.

В Россию запрещено поставлять вообще любое литографическое оборудование и любые компоненты, позволяющие его создавать, даже самые древние литографы, в том числе б/у на 800 нм и более.

До недавнего времени даже Ирану, который находится 45 лет под санкциями США, разрешено было поставлять некоторые виды литографических машин, но для России запрещено вообще всё. Полный запрет действует с 2014 года, а запрет на поставку нового поколения машин действует с 2001 года.

Для Китая США ввели запрет на передовые разработки (EUV) в 2019 году, а в 2024 году — на современные DUV-литографы, способные произвести техпроцесс до 7–5 нм.

• В Китай всё ещё разрешены поставки литографов и оборудования 10–15-летней давности (65, 45, 28 и 14 нм).

Вопрос: почему США так боятся поставлять в Россию передовые технологии микроэлектроники, что запретили это делать еще 23 года назад?

Ответ: Россия — единственная страна, способная в одиночку разработать EUV-литограф.