Русский фотолитограф – невозможное возможно
Фотолитограф ASML. Источник: arscomp.ru
Сдвигать вправо уже некуда
Зачем России свой фотолитограф и что он умеет делать?
Начать стоит немного издалека. По мнению многих, в XXI веке признаком развития государства является возможность выпускать высокотехнологическую продукцию. Например, смартфоны или ноутбуки. Строго говоря, Россия вполне соответствует этому цензу – в стране выпускают вполне конкурентоспособную технику. Вот, Bitblaze Titan – отечественный ноутбук или YotaPhone 2 – доморощенный смартфон. Ноутбук еще и построен вокруг российского восьмиядерного процессора «Байкал–М». Казалось бы, повод для гордости готов – всех приглашаем праздновать. Но тут начинаются нюансы.
И смартфон, и ноутбук – это лишь продукт компиляции импортных комплектующих и тонкой настройки всего технического оркестра. Работа не из легких и требует качественные мозги, но имеет массу уязвимостей. Зависимость от поставщиков, прежде всего. Знаменитый Baikal-М отечественный только по дизайну. Причем и здесь не все полностью российское – ядро процессора от британской конторы ARM. Производство изделия от А до Я было организовано на мощностях тайваньского гиганта TSMC.
Аналогичным образом изготавливается процессор для смартфонов «Скиф» от зеленоградского НПЦ «Элвис» – «Электронные вычислительно-информационные системы». Точнее – изготавливался: тайваньский производитель отказал всем российским разработчикам.
Кристалл кремния после фотолитографии. Источник: domoticzfaq.ru
В нашей стране создана вполне развитая отрасль проектирования микрочипов. Среди лидеров МЦСТ «Эльбрус», Baikal Electronics, НТЦ «Модуль», Syntacore и упоминаемый выше НПЦ «Элвис». Ирония в том, что самостоятельно разработанные чипы Baikal-М и самые совершенные из линейки «Эльбрус» Россия не способна самостоятельно производить. Лучшая на данный момент российская фабрика микропроцессоров «Микрон» готова выпускать изделия по технологии 90 нанометров. В порядке опытного производства можно и 65 нм. Baikal-М разработан под 28-нанометровый техпроцесс, а «Эльбрус-16С» вообще под 16 нм. Является ли это трагедией? Нет, для технологической независимости страны это не имеет большого значения.
Дело в том, что техпроцессов, освоенных в России, с лихвой хватает как для оборонной промышленности, так и для гражданского сектора. В диапазоне от 65 до 180 нм отечественные производители могут строить процессоры для современных станков, серверов, бытовой, автомобильной и военной техники. Условно говоря, для крылатой ракеты не нужны чипы на 5–10-нанометровой архитектуре. Столь тонкие технологии требуются для смартфонов и прочей носимой техники. Например, 5-нанометровые чипы встроены в игровые приставки Sony Playstation. Но в России такие не производят.
На первый взгляд, все хорошо – доморощенные и вполне качественные производители имеются, разработчики тоже в порядке, осталось только адаптироваться под требования внутреннего рынка. Но есть один нюанс – все производственное оборудование исключительно импортное. В первую очередь фотолитографы, критически важные компоненты микропроцессорной фабрики.
Фотолитографы наше все
Если посмотреть на любое российское микропроцессорное производство, будь то «Микрон», «Миландр», «Модуль» или «Элвис», везде стоят голландские (ASML) или японские (Nikon, Canon) фотолитографы. Разумеется, сейчас даже запчасти на эту технику нельзя официально поставлять в Россию, не говоря уже о готовых машинах. И создать самостоятельно фотолитограф непросто. Точнее – очень непросто.
Немного теории. Любая фотолитографическая машина очень напоминает аппараты для печати фотографий. Только все на порядок сложнее и дороже. Например, комплект фотошаблонов для печати чипов может стоить до 10 млн долларов. Через эти шаблоны ультрафиолетовый излучатель (чаще всего лазер) проецирует схему на кремниевый кристалл, покрытый фоточувствительным составом – так появляется заготовка будущего микрочипа.
Эта процедура засветки многократно повторяется, перемежается травлением, легированием, сушкой и осаждением. Современные процессоры могут содержать 12 и более слоев, состоящих из полевых транзисторов, проводников и прочих компонентов. И это все на объекте, в 100 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса. Разумеется, производство организуется в сверхчистых комнатах и в специальных зданиях, изолированных от внешних вибраций. Специалисты любят говорить, что на точность изготовления чипа может повлиять даже проезжающий в паре кварталов от фабрики трамвай.
Фактическим монополистом среди производителей фотолитографов является голландская ASML. Японские Nikon и Canon делают гораздо менее совершенный. Мировой центр производства микрочипов на этих самых фотолитографах расположен в Тайване.
Отечественные проекты собственных фотолитографов появились еще 10–12 лет назад, но тогда по неким причинам решено было это направление заморозить. Разморозили только сейчас. В Зеленоградском нанотехнологическом центре по заказу Минпромторга приступили к разработке машины под 130-нм технологический процесс. По самым скромным подсчетам, на это уйдет до десяти лет. Одно дело создать действующий прототип и совсем другое – обеспечить бесперебойную работу уже серийных изделий.
Второй проект сконцентрирован на фотолитографе для 350-нанометрового техпроцесса. Такие чипы очень востребованы, например, в оборонной промышленности. До недавнего времени ВПК вообще обходился 600-нм и даже микронными микропроцессорами.
Завод «Микрон» в Зеленограде. Здесь делают самые совершенные в России микропроцессоры. Источник: зеленоград-инфо.рф
Проблема в том, что Россия не в состоянии на 100 процентов заместить все производственные цепочки и компоненты собственным сырьем. Даже если удастся создать собственный фотолитограф, придется формировать целую индустрию расходных материалов и компонентов. Например, жидкий фоторезист, необходимый для проявления «рисунка» на кремниевом кристалле, выпускают единичные компании в мире.
Разумеется, вся эта история будет работать в убыток, ни о каких рыночных отношениях и речи быть не может. Государству придется дотировать как производство микрочипов, так и сборку будущих фотолитографов. В большинстве своем продукция будет уходить госструктурам, так как широкого рынка отечественной микропроцессорной техники практически нет.
России жизненно необходим свой фотолитограф не в конце текущего тысячелетия, а уже через два-три года. Ресурс импортной техники скоро иссякнет, и вся микроэлектронная промышленность просто остановится. Конечно, можно что-то закупать у китайцев, но даже они свои самые современные разработки не поставят в Россию. Тем более что с разработками микропроцессорных станков у наших соседей не все в порядке.
Пекин давно под «фотолитографическими» санкциями, и пока не способен самостоятельно выпускать продукты меньше 45-нанометрового техпроцесса. Показателен пример Huawei, которому Трамп в 2018 году запретил размещать заказы на микрочипы на тайваньской TSML. В итоге стагнация и потеря рынка относительно более успешных конкурентов. Сможет ли Huawei выбраться из ямы – неизвестно, но компания уже запатентовала фотолитограф под 10-нанометровый техпроцесс. Однако от патента до готового образца могут пройти годы.
Голландский ASML не менее двадцати лет разрабатывал прорывные фотолитографы на экстремальном ультрафиолете (EUV), позволяющие печатать чипы по 5-нанометровым технологиям и даже ниже. И стоил такой проект около 20 млрд долларов.
Вот на такой фотолитограф замахнулись в «Росатоме». Речь о проекте Национального центра физики и математики в Сарове, созданном по указу президента.
EUV-фотолитограф от ASML. Источник: ravenfile.com
Еще немного теории. Зачем вообще создавать EUV?
Все дело в длине волны ультрафиолета, использующейся в обычных фотолитографах – около 120–140 нанометров. Физические законы не позволяют даже при всех возможных ухищрениях создавать чипы топологии ниже 40–65 нм. ASML решили кардинально уменьшить рабочую волну излучения до 13,5 нм, то есть фактически спустились до мягкого рентгена. Чтобы никого не пугать, название технологии дали «экстремальный ультрафиолет».
На бумаге все просто – меньше длина волны, меньше разрешение. Печатайте чипы вплоть до 2 нм. Главные сложности возникают с самим излучением – 13,5-нанометровые рентгеновские волны поглощает все подряд, начиная от воздуха и заканчивая линзами. Оптику заменили системой высокотехнологичных зеркал, которые умеет делать в мире только немецкий Carl Zeiss. Если кратко, то шероховатости на каждом таком изделии не должны превышать 1 нм. Разумеется, фотолитография возможна только в условиях глубокого вакуума, что создает дополнительные сложности и разработчикам, и технологам. Само излучение формируется после обстрела мощным лазером капли олова, которая превращается в плазму, генерирующую искомую 13,5-нанометровую волну.
В общем, проект доморощенного EUV-фотолитографа по сложности сравним с космической программой. Это настоящий вызов, как для промышленности России, так и для научных организаций. Как утверждает академик РАН Александр Сергеев, есть отечественные наработки по рентгеновским зеркалам в Институте физики микроструктур, а «Росатом» готов предоставить мультикиловаттные лазеры.
Параллельно в Институте прикладной физики создан «прототип прототипа» фотолитографа, позволяющего создавать чипы по 7-нанометровой технологии. Но, повторимся, от создания опытного образца до серийного изделия могут пройти годы, если не десятилетия.
Национальный центр физики и математики в Сарове. Источник: atomic-energy.ru
Еще более революционно выглядит проект безмасочной рентгеновской нанолитографии, разрабатываемый в НИЦ «Курчатовский институт» и Московском институте электронной техники. Уже готов опытный образец, тестирование которого начнется в 2026–2027 годах.
Хороших новостей и прогнозов относительно перспектив первого отечественного фотолитографа пока больше, чем плохих. Но наша промышленность последнее время привычно сдвигает сроки создания готовых изделий сильно вправо. Это касается, в частности, авиации, автомобилестроения и прочих критически важных отраслей. Окажется ли микроэлектроника в этом печальном списке, покажет время.
Информация