ОТЕЧЕСТВЕННЫЙ СТЕППЕР:
сможет ли Россия импортозаместить
зарубежную микроэлектронику
Скромное слово степпер отражает, наверное, самую высокотехнологичную машину из всех, придуманных человечеством. Принято считать торжеством технологичности процессоры, микросхемы. Так вот, степпер – это то, что производит микросхемы.
Intel, Samsung и TSMC — три крупнейших в мире производителя микросхем. Но даже они не в состоянии изготовить степпер.
Единственный их производитель – компания ASML из Нидерландов. Она играет главную роль в мировой микроэлектронике.
Это единственный в мире производитель степперов для фотолитографии в глубоком ультрафиолете (EUV). Только у неё есть оборудование для фотолитографии в глубоком ультрафиолете с длиной волны 13,5 нанометров.
Более короткие длины волн позволяют травить более мелкие компоненты — это жизненно важно для производителей микросхем, которые стремятся увеличивать количество транзисторов на чипе в соответствии с законом Мура. Он утверждает, что количество компонентов на конкретной площади удваивается примерно каждые два года.
Первые экспериментальные установки совмещения и экспонирования (степперы) для EUVL были созданы в 2000 году в Ливерморской национальной лаборатории, но создание коммерчески доступного оборудования заняло почти 20 лет, потому что инженерам пришлось решать ряд трудных технических задач, связанных с высокой плотностью энергии пучка EUV-излучения, которая в десять раз выше, чем у луча 193-нм лазера (фотолитография предыдущего поколения).
Из-за этого чрезвычайно трудно эффективно протравить тончайшие дорожки после обработки пластины. На таком размере элементов возникают сложности с депонированием добавок в предельно узкие канавки цепей в кристаллах.
Степпер - основное оборудование, которое используется при изготовлении полупроводниковых интегральных схем. В процессе работы степпера рисунок с маски многократно переводится в рисунок на различных частях полупроводниковой пластины. Своё название степпер получил из-за того, что каждое экспонирование производится небольшими прямоугольными участками (порядка нескольких квадратных сантиметров); для экспонирования всей пластины её передвигают шагами, кратными размеру экспонируемой области (процесс step-and-repeat). После каждого передвижения проводится дополнительная проверка правильности позиционирования.
Современные литографические установки могут использовать не шаговый, а сканирующий режим работы; они называются «сканеры» (step-and-scan). При экспонировании передвигаются в противоположных направлениях и пластина и маска.
Три ведущих мировых производителя чипов — Intel, Samsung и TSMC — стали зависимы от продукции ASML настолько же, насколько остальная технологическая индустрия зависит от их собственной продукции.
Не случайно с 2010 года её рыночная капитализация выросла в десять раз. Только за последний год она увеличилась почти вдвое. Сегодня ASML стоит больше, чем Airbus, Siemens или Volkswagen.
Стоимость акций скорректировалась вместе со всеми из-за COVID-19, но инвесторы высоко оценивают её долгосрочные перспективы: акции торгуются с впечатляющим 32-кратным отношением цены к прибыли (P/E), что в два или более раза превышает показатели крупнейших клиентов.
Успех пришел не сразу. Фирма начала свою деятельность в 1984 году как совместное предприятие Philips, голландского гиганта электроники, и ASM International, производителя полупроводникового оборудования. Поначалу она занимала несколько деревянных строений в эйндховенском кампусе Philips.
В какой-то момент фирма сделала ставку на фотолитографию в глубоком ультрафиолете, в которой она увидела будущее производства микросхем. Первые опытные образцы машин фирмы были отправлены в IMEC, научно-исследовательский институт в Бельгии, в 2006 году. Коммерческие клиенты начали использовать технологию только в 2018 году.
Внутри самой современной EUV-машины каждую секунду 50 000 капель расплавленного олова падают через камеру в её основании. Пара высокоэнергетических лазеров на углекислом газе ударяет по каждой капле, создавая плазму, которая, в свою очередь, испускает свет нужной длины волны. Первый импульс преобразует каплю олова в туманную форму блина, так что второй импульс, который является более мощным и следует за ним всего через 3 микросекунды, взрывает олово в плазму, которая светится на длине волны 13,5 нанометров. Затем свет собирается, фокусируется и отражается от узорчатой маски, чтобы проецировать узор на кремниевую пластину.
Свет направляют зеркала, сделанные из слоёв кремния и молибдена, которые отшлифованы настолько точно, что, если их масштабировать до размера Германии, то на поверхности не будет выпуклостей больше миллиметра. Поскольку глубокий ультрафиолет поглощается почти любым веществом, включая воздух, процесс происходит в вакууме.
Машины весом 180 тонн и размером с двухэтажный автобус сами по себе являются свидетельством сложной логистики в электронной промышленности. Компоненты для этих машин производят около
5000 поставщиков. Немецкая оптическая фирма Carl Zeiss производит линзы. Голландская VDL производит роботизированные манипуляторы, которые подают пластины в машину. Источники света изготовляет Cymer, американская компания, купленная ASML в 2013 году. В свою очередь, ASML является одной из сотен фирм, которые поставляют оборудование для производителей микросхем, таких как Intel, Samsung и TSMC.
Китай стремится развивать собственные передовые фирмы по производству чипов, но США пытаются этому помешать. В 2018 году ASML получила заказ на поставку сканера EUV от компании Huawei, чьи заводы в настоящее время отстают от современного уровня на пару поколений. Под давлением США голландское правительство не предоставило ASML экспортную лицензию.
Голландцы уже работают над новым поколением машин EUV
серии 5000 с лучшей оптикой, которые смогут обрабатывать больше кремниевых пластин в час. Их должны выпустить в 2023 году. В новых машинах используются более мощные лазеры, а частота падения капель олова увеличена с 50 000 до 80 000 Гц.
Использовано: «Экономист», ссылка в конце
А что в России?
В конце февраля 2022 года крупнейший тайваньский производитель полупроводников TSMC объявил о прекращении поставок и производства отечественных микропроцессоров из-за новых санкционных ограничений, введённых Бюро экспортного контроля Минторга США. Поясним: процессоры «Байкал» и «Эльбрус» теоретически наши, но делались не у нас, а на TSMC.
На данный момент положение микроэлектронного производства в России таково, что ни одна процессорная разработка малой топологии невозможна по определению – у нас просто нет собственных производственных мощностей.
2007-м была утверждена федеральная целевая программа «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники» на 2008-2015 годы», в рамках которой в Зеленоград были куплены вышеупомянутые 180 нм для Микрона и 90 нм для Ангстрема-Т. Все шло к тому, что отечественное производство сможет в значительной степени покрывать потребности ВПК, а отечественные разработчики продолжили быстро развиваться, имея доступ к лучшим зарубежным фабрикам. Сейчас «Микрон», как и большинство игроков, со времен начала пандемии испытывает трудности с поставками материалов. А заводу прямо сейчас нужно как минимум наладить и масштабировать выпуск банковских и транспортных карт, обеспечить производство на своих мощностях полупроводников для оборудования, необходимого российским нефтесервисным компаниям.
На официальном сайте Микрона техпроцесс 65 нм находится «в освоении» с 2014 года. И ни единого серийного чипа по этому процессу публике никогда не представлялось. «Эльбрус-4СМ», который должен был производиться на «Микроне» по нормам 65 нм, не представлен на официальном сайте МЦСТ и, судя по всему, в кремнии никогда не существовал.
Почему нет собственной полной цепочки? Технологии подобного уровня требуют компетенций которые нарабатываются десятилетиями. К примеру, одно только программное обеспечение под эту машину по объёму кода более чем в 2 раза крупнее, чем ядро линукса. Технология изготовления оптических элементов под эти машины разрабатывается годами, и это при высочайшей экспертизе от Zeiss.
В короткий срок произвести это оборудование невозможно. Понадобится 8 лет чтобы научиться делать аналог PAS 5500 (литограф, который закупили для Микрона), учитывая то, что эта машина уже безнадёжно устарела.
Китай в свою очередь имеет свои фабы не первый год. Успешное развитие полупроводниковой отрасли в Китае вполне очевидны: Китай переманил много экспертов из Тайваня; Китай не отрезан от остального мира и мог пользоваться экспертизой других стран; в Китае есть гораздо более современные машины (а значит при желании можно заниматься реверс-инжинирингом). У России нет ничего выше перечисленного.
Использовано: RiddleRider https://habr.com/ru/post/661637/
Попытки исправить ситуацию предпринимаются.
Минпромторг провёл конкурс на разработку установки проекционного переноса изображений топологического рисунка интегральной схемы на пластину (выше - степпера). Это был конкурс стоимостью 7,9 млрд. рублей, а вот АО «Зеленоградский нанотехнологический центр» подал заявку с ценой 7,51 млрд. рублей и оказался единственным участником торгов (мог бы и не снижать цену, кабы знал). С ним и был заключён контракт.
В рамках проекта допускается возможность применения режима double patterning или multi patterning – двойного или многократного маскирования с применением фазосдвигающих шаблонов для достижения проектной топологической нормы 130 нм. при условии не достижения физического разрешения проекционной системы степпера – 130 нм. для проекционного переноса изображения фотошаблона на полупроводниковую пластину и мультипликации его на пластине при изготовлении сверхбольшой интегральной схемы (СБИС).
Ниже все лоты этой тематики:
· ОКР «Разработка, изготовление комплекта стендового оборудования, разработка и освоение в производстве установки и технологического процесса проекционного переноса изображений топологического рисунка ИС на пластину (Step&Repeat) в обеспечение производства ИС, ЭКБ с проектными нормами 350 нм», шифр «Прогресс ППИ». Рабочая длина волны 365 нм.
· 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»
Опытный образец степпера на 350 нм должен появиться к середине 2024-го года, а на 130 нм — к середине 2026-го.
В конце 2025-го года оканчиваются ОКРы и по химии (установкам травления и осаждения), целью выполнения которых является разработка технологий уровня 65 нм и перспективного оборудования мирового уровня для отработки наиболее критических технологических процессов для производства компонентной базы в микроэлектронике на пластинах диаметром до 300 мм.
В середине 2025 должны появиться опытные образцы установок создания фотошаблонов для производства микросхем по топологии 90-65 нм. Уже к концу 2024-го года ожидается появление опытных установок получения гетероструктур. В общем, этот этап разработок завершается с 2024-2026 годах,
Использовано:
Электромозг. https://zen.yandex.ru/media/electromozg/rossiiskie-steppery-na-350-i-130-nm-razrabatyvaiutsia-kak-i-fotoshablony-dlia-90-i-65-nm-619ba32e2a679171332725d1
Таковы планы. Теоретически заказы сделаны. Но это пока именно теория: выставленный грант, к тому же на весьма скромные нанометры. Чтобы реализовать эти задачи, нужно решить массу технических проблем. Сегодня даже исходное и самое простое – особо чистый кремний – у нас не производится. Чтобы создать отечественный степпер, нужно объединить в единую программу десятки институтов и производств.
_______
21.04.2022
