Российский литограф на 28 нм
Тенденция последнего времени — резкое уменьшение количества членов секты «в рашке всегда всё плохо и ничего не будет». Видимо, свалили. Основной скепсис сегодня исходит от людей, считающих, что развитие науки и промышленности может быть только при социализме.
То есть, это многие из тех, кто голосует за коммунистов дедушки Зю.
Да, со всеми косяками и перегибами, но СССР и соцлагерь почти всё производили сами, были почти самодостаточны. И да, отдельные позиции закупались у капстран, но в 70-х годах прошлого века это уже было скорее исключением, нежели правилом. После индустриализации, в ходе которой, в частности, в США действительно закупалось огромное количество различного оборудования и техники, СССР смог обеспечивать себя всем самым необходимым самостоятельно, в том числе, станками и машинами, которое вначале были иностранными.
Правда, СССР не смог обеспечить себя едой, и закупал в Америке зерно в количествах, сопоставимых с собственными сборами — но то такое, коммунисты этого вспоминать не любят.
А еще у СССР были очень плохи дела с микроэлектроникой. Настолько плохо, что пресловутый процессор Z80 СССР смог начать выпускать только после своей смерти (ну то есть Россия начала выпускать) — да и то на основе литографии, которую удалось получить из ГДР. Да-да — немцы в ГДР справились уже давно, а великий СССР сосал лапу, сидя на древнем i8080. А ведь Z80 был вполне ширпотребным процессором, широко производившимся с 1976 года — то есть СССР отставал по микроэлектронике от Запада где-то на 15 лет!
Это, кстати, в копилку того, что не социальный строй определяет технический прогресс отдельно взятой страны — иначе США нас бы не обгоняли в технологиях. Социальный строй определяет лишь степень справедливости распределения материальных ресурсов, а это дело такое… люди в основной своей массе при справедливом социализме в СССР жили бедно, а при несправедливом капитализме в США или Европе — на довольно высоком уровне.
А теперь плавно перейдем к теме создания у нас в России рентгеновского литографа — ключевой и самой сложной и дорогостоящей установки в линии производства микропроцессоров по нормам 22 нм и ниже (потенциально на таких машинах достижимо 16 нм и даже 12 нм).
Многие читатели высказывают скепсис возможности и самого смысла построения рентгеновского литографа в России на том основании, что технология рентгеновской литографии разрабатывалась всем миром с начала 1990-х, а смогла воплотиться в коммерческих машинах для серийного производства СБИС лишь в самом конце 2010-х. То есть, прошло около 30 лет. Значит, и Россия если и сможет построить такую машину в одиночку, то не ранее, чем через 30 лет.
Вторым аргументом скептиков является ошеломляющая стоимость рентгеновского литографа — более 300 000 000 евро, а новая их модель будет стоить уже около миллиарда евро! И это при том, что компании, покупающие это оборудование, до этого на протяжении 30 лет финансировали этот проект! Так сколько же они затратили на него всего?
Ситуация с этим скептицизмом напоминает ситуацию с тем же скептицизмом по поводу разработки отечественной операционной системы. Те же аргументы — и те же ошибки в логике. Про операционную систему даже говорить уже не хочу. Сколько не объясняешь, что там всё уже по-другому, и прямой перенос затрат сильно некорректен, как и лобовое перемножение количества строк исходника ядра Линукс или кода Windows по специальной формуле на зарплату программистов и т.п.
Почему аргументы скептиков о времени и стоимости разработки рентгеновского литографа некорректны? Давайте разбираться по пунктам.
Во-первых, когда в 90-х разработки только начинались, всё, как говорится, было впервые и вновь. Учёные тратили кучу времени и средств на неизведанные ранее вещи. Пробовали то, это, пятое, десятое. Тыкались почти вслепую, как котята, и нарабатывали ворох сопутствующих технологий, которых раньше ни у кого не было, часть из которых оказывались не нужными.
Сегодня даже в России уже имеется большинство нужных для построения рентгеновского литографа технологий, некоторые из которых появились благодаря участию ИФМ РАН в работе с ASML на этапе зарождения технологии, а оставшиеся достаточно просто повторить.
Для этого можно использовать имеющиеся в открытом доступе научные труды, попробовать заинтересовать учёных, которые это уже делали в других странах, в конце концов, можно получить нужные технологии, используя промышленный шпионаж, которым занимаются все и всегда во всём мире. В общем, повторить то, что уже сделано, в современном мире намного легче.
Во-вторых, когда какая-то технология вдруг давала нужный результат, её начинали дорабатывать — всё равно альтернатив не было. Так что дорабатывали вне зависимости от того, насколько она оказывалась удачной (с современной точки зрения). Главное — чтобы давала результат.
Например, это касается установки рентгеновского излучения на основе олова с длиной волны 13,5 нм. Не очень удачный выбор, как выяснилось впоследствии, но на нём в дальнейшем строилось всё остальное. Когда вложились во что-то одно, менять это на что-то другое уже не так просто.
Но такой излучатель имеет массу проблем:
Процесс очень «грязный», нужны сложные системы защиты оптики от загрязнений.
Низкий ресурс работы коллектора и генератора капель.
Большие потери излучения в системах защиты.
Использование крупногабаритной системы на базе CO₂-лазера мощностью свыше 20 кВт. Лазер с двумя «сеятелями» и четырьмя ступенями усиления настолько велик, что его приходится размещать на отдельном этаже под рентгеновским литографом.
В российском же проекте предполагается использовать другой источник рентгеновского излучения — на основе ксенона, первые публикации по которому появились в научной литературе только в 2018 году.
Он в разы компактнее и намного «чище» оловянного, что сильно продлевает жизнь оптике, пелликлам (защитным и фильтрующим ультратонким плёнкам) и т.п., позволяет сделать их более прозрачными и даёт излучение более короткой длины волны — 11,2 нм вместо 13,5, что увеличивает оптическое разрешение на 20%.
При сохранении же оптического разрешения, уменьшение длины волны позволяет кратно упростить и удешевить объектив, не добиваясь у него большой числовой апертуры.
Кроме всего вышеперечисленного, лазер, использующийся для работы рентгеновского излучателя, требуется на порядок меньшей мощности.
Многослойные зеркала Ru/Be на отражение длины волны 11,2 нм тоже были разработаны в ИФМ РАН относительно недавно, и имеют коэффициент отражения 72,2%, что выше, чем у Mo/Si с коэффициентом 70,2%, разработанные ранее для длины волны 13,5 нм. Это повышает эффективность всей оптической системы в 1,4 раза.
Кстати, ИФМ РАН принадлежат рекордные коэффициенты отражения любых зеркал в диапазоне 9-30 нм, что выводит его по этому параметру в мировые лидеры. Ну это так. Звучит для многих неожиданно и непривычно, но наш институт — мировой лидер.
Так что всего лишь переход на ксеноновый источник рентгеновского излучения уже позволяет сильно упростить и удешевить конструкцию.
В-третьих, рентгеновские литографы ASML разрабатывались с расчётом на ту же производительность, на которую ранее разрабатывались DUV-литографы (с источником излучения глубокого ультрафиолета). Это было жёсткое условие, поскольку фабрики должны были обеспечить потребности всего мира. Но это же загнало ASML в очень тяжёлое положение.
Оказалось, что производительность можно было сохранить только сильным удорожанием важнейших компонентов литографа и повышенной стоимостью его дальнейшего обслуживания из-за частых замен износившихся или загрязнённых очень дорогостоящих расходников. Что и было сделано.
Ну вот, собственно, и получается, что спустя 30 лет на этапе сегодняшнего технологического развития, можно построить тот же самый рентгеновский литограф, пусть и меньшей производительности (до 100 пластин в час), силами одной только России, и не за 30, а всего за 7 лет.
Да, это тоже много, но по оценкам учёных, рабочий прототип под техпроцесс 90 нм (ограничение системы позиционирования) можно будет собрать уже за 3 года, а затем совершенствовать его вплоть до 12 нм в течение последующих четырёх лет.
Про ограничения системы позиционирования я упомянул неспроста. Дело в том, что на сегодня у нас нет вообще никаких наработок по системам совмещения, сканирования и автофокуса, и их придётся делать с нуля. Определённая научная база у нас по этой теме имеется, но разработок необходимого уровня точности нет.
Напомню, что внутри литографа ASML кремниевые пластины удерживаются на специальных стеклянных держателях. Держатели перемещаются с ускорением до 3g, позиционируя пластину с точностью до одного нанометра. В то же время пластина освещается рентгеновским излучением при тепловой нагрузке 30 кВт/м², не теряя своего точного местоположения. В случае российского литографа фактор тепловой нагрузки, скорее всего, будет менее заметен, тем не менее, задача перед нашими учёными стоит довольно сложная.
Я не испытываю иллюзий относительно простоты создания отечественного литографа. Несомненно, это задача очень сложная, но посильная.
По моим ощущениям, техпроцесс 28 нм у нас появится к 2030-му году. Возможно, машину на 28 нм удастся сделать и сразу к 2028 году в первом промышленном поколении. Это оптимистичный прогноз. А вот мой пессимистичный прогноз — 32 нм мы получим к 2030-му году, а 28 нм к 2032-му. А как оно там на самом деле получится, покажет время.
На сегодня работы ведёт не только ИФМ. Уже есть целая команда организаций с имеющимися научно-техническими заделами, которые способны решить проблему создания рентгеновского литографа.
Кстати, Николай Иванович Чхало ещё раз уточнил, что «рентгеновская литография» и «литография в экстремальном ультрафиолете» — это правомерные названия одной и той же технологии. От себя добавлю, что за рубежом сложилась практика называть эту литографию — литографией в экстремальном ультрафиолете, а у нас — рентгеновской.
Свойства излучения на самом краю ультрафиолетового диапазона на длине волны 11-13 нм идентичны свойствам рентгеновского диапазона, а не ультрафиолетового. Поэтому для исследований в этой области нужны знания именно рентгеновской оптики и ею занимаются соответствующие учёные, больше специализирующиеся на рентгене.
Отсюда, с их подачи, и сложилась такая практика, хотя формально условная граница между этими диапазонами, рентгеновским и ультрафиолетовым, проведена по округлённой цифре в 10 нм. что, конечно же, притянутая за уши условность. По факту, длины волн вокруг этих цифр обладают свойствами рентгена.
В докладе были перечислены 8 критически важных технологий, которыми надо обладать, чтобы собрать рентгеновский литограф, и даны оценки готовности данных технологий у нас в стране:
Сверхточная рентгеновская оптика.
Высокоэффективные источники рентгеновского излучения
Маски (фотошаблоны)
Высокоэффективные фильтры спектральной очистки и защиты маски, т.н. пелликлы.
Рентгено-резисты (чистая химия).
Системы совмещения.
Системы сканирования.
Автофокус.
По сверхточной рентгеновской оптике у нас имеются достаточно хорошие заделы. В ИФМ РАН умеют полировать подложки для асферических рентгеновских зеркал до необходимого сегодня уровня и знают, как повысить этот уровень до уровня компании Carl Zeiss для применения их в реальной литографической машине, когда такая потребность возникнет.
Что касается напыления зеркал, то ИФМ РАН имеет для этого 8 технологических установок, разработанных ими самостоятельно. Институту принадлежат рекордные коэффициенты отражения зеркал в диапазоне 9-30 нм, что выводит его в мировые лидеры по этой теме (что касается диапазона 6 нм, то он был признан институтом неперспективным, и работы по нему больше не ведутся, хотя результаты здесь тоже были неплохими, пусть на сегодня уже и уступили зарубежным).
По части высокоэффективных источников рентгеновского излучения в ИФМ РАН был разработан лазерно-плазменный источник на основе сверхзвуковой струи ксенона. Подтверждено, что ксеноновый источник является «чистым». Первые публикации в научных журналах по таким источникам появились в 2018 году, но практические результаты у нас уже есть.
В 2023-м году в ИФМ РАН был разработан прототип мощного источника рентгеновского излучения 10-14 нм для литографии на основе ксенона. Стенд находится в процессе монтажа и к концу года, скорее всего, будет уже запущен.
Также в ИПФ РАН уже давно разработан наносекундный дисковый лазер мощностью 650 Вт. В перспективе пары лет его мощность будет доведена до 1,2 кВт, а ещё через год — до 2,5 кВт, что хотя и является по оценке разработчиков пределом выбранной технологии, но уже вполне достаточно для применения в реальных источниках рентгеновского излучения на основе ксенона для серийных рентгеновских литографических машин.
На фото в заголовке — Питер Лейбингер, технический директор TRUMPF, показывает CO₂-лазер мощностью 40 кВт с частотой повторения импульсов 50 кГц, который питает генератор рентгеновского излучения для машины ASML.
По части отражающих масок (фотошаблонов) имеются свои сложности, связанные с эффектом затенения краёв из-за высоты маскирующего слоя, а также с трудностями контроля глубинных дефектов при их изготовлении. Именно эти сложности в ИФМ и пытались исключить, разрабатывая безмасочный (правильнее — бесфотошаблонный) литограф, но столкнулись со сложностями с МЭМС и производительностью литографа в целом.
С высокоэффективными фильтрами спектральной очистки и защиты маски, т.н. пелликлами (ультратонкими плёнками), у ИФМ РАН тоже всё выглядит довольно неплохо. Более того, при разработке рентгеновских литографов ASML добивалась от своих машин той же производительности, что и от машин глубокого ультрафиолета, чем загнала себя в адски жёсткие условия, что вылилось впоследствии и в стоимость её оборудования и стоимость его обслуживания. У нас же пока не стоит проблемы необходимости сверхвысокой производительности оборудования, чтобы удовлетворять аппетиты всего мира.
Нам можно либо снизить требования к стойкости дорогих пелликлов, которые живут в машинах ASML всего 2-3 недели, после чего приходят в негодность от невероятной мощности излучения, либо сделать срок их жизни более длительным, что существенно удешевит обслуживание литографа.
Неплохие заделы у нас, внезапно, и по рентгенорезистам.
А вот с системами сканирования, совмещения и автофокуса у нас, по сути, нет ничего. Этой темой до сей поры в России не занимались. А между тем, требования к этим системам довольно жёсткие:
Кое-какие институты с наработками по отдельным компонентам, однако, существуют, то есть, где-то и есть с чего расти, а что-то придётся начинать с нуля.
Итого, основные сложности при постройке рентгеновского литографа просматриваются именно с системами совмещения, системами сканирования и автофокусом.
