О разработке российского литографа и необходимых для него технологиях: кратко и понятно

В марте 2025-го года на симпозиуме «Нанофизика и наноэлектроника», прошедшем в Нижнем Новгороде, была озвучена новая информация, касающаяся российского рентгеновского EUV-литографа. Этой информацией я поделился в своей статье «Российский рентгеновский EUV-литограф — дело сдвинулось с мёртвой точки!». Часть читателей просит написать про данную тему кратко и понятно, и я попытаюсь выполнить в сегодняшней своей статье. По крайней мере, если не кратко, то понятно.

Как делают чипы?

Чипы делают на производственной линии, напоминающей конвейер сборки автомобилей. В процессе производства на отполированную кремниевую пластину наносятся транзисторы и соединительные дорожки, реализующие электрическую схему.

Это делается посредством постепенного послойного физического нанесения транзисторов и дорожек в рамках определённого технологического процесса, моделью которого в пределах нанесения одного слоя может служить пример процесса фотопечати.

Представьте себе процесс печати фотографий на бумаге в масштабе конвейера автомобильного завода. При этом самым главным и самым сложным станком на такой фабрике, от которого зависит качество и детализация будущей фотографии, будет фотоувеличитель, который просвечивает негатив фотоплёнки и проецирует фотографию на светочувствительный слой фотобумаги, засвечивая его в соответствии с изображением на негативе.

Под воздействием света, соли серебра, находящиеся в фоточувствительном слое, начинают распадаться, образуя на своих кристаллах микроскопические кластеры металлического серебра (2–10 атомов), формируя т.н. «скрытое изображение». Эти группы атомов в дальнейшем действуют как катализаторы при последующей химической проявки.

Затем бумага отправляется в ванну с фотопроявителем, где процесс формирования серебра из его соли химически ускоряется в десятки раз, а затем в ванну с фиксажем, где незасвеченные области светочувствительного слоя химически удаляются, чтобы они не темнели в дальнейшем.

Замечу, что оставшееся на фотобумаге серебро имеет чёрный, а не серебристый цвет, потому что из-за особенностей своего формирования имеет настолько мелкодисперсную структуру (состоит из очень мелких крошек), что поглощает почти весь падающий свет.

Затем фотобумага с готовой фотографией отправляется на промывку и далее — в глянцеватель, который сушит фотографии и делает её поверхность глянцевой. Затем фотография отправляется на обрезку, после чего готовые фотокарточки монтируются в специальные держатели страниц фотоальбомов.

Примерно так же происходит и процесс печати чипов. На кремниевую пластину наносится слой материала для формирования элементов. Затем наносится светочувствительный слой, т.н. резист, который засвечивается через фотошаблон.

Затем незасвеченный резист смывается. Затем смывается незащищённый резистом слой материала. Затем смывается резист полностью. На пластине возникает некий рисунок из оставшегося материала. Это отдалённо похоже на создание дорожек печатных плат.

При этом для ускорения процесса на одной кремниевой пластине формируется сразу несколько микросхем путём пошаговой засветки пластины в разных местах перед циклом её химической обработки. Впоследствии после формирования микросхем пластина режется на чипы, которые потом корпусируются, превращаясь, собственно, в микросхемы с ножками.

Но есть существенное отличие от фотографии. Поскольку транзисторы не плоские, как фотография, а имеют некоторый объём, то их изображение наносится на пластину не за один такой цикл печати, а за несколько десятков подобных циклов. Транзисторы как бы «выращиваются» на пластине слой за слоем.

Кроме того, соединительные дорожки могут проходить не только между, но и сверху транзисторов, что ещё больше увеличивает количество слоёв для печати, а значит, и циклов нанесения светочувствительного слоя, засветки, проявления, промывки.

Кроме того, в рамках техпроцесса создания микросхемы над пластиной производится много дополнительных действий — осаждение различных металлов, внесение примесей, напыление и т.п. То есть, «фотопечать» чипов представляет собой длительный многоцикловый процесс, и в начале каждого такого цикла стоит засветка очередного светочувствительного слоя.

В чём проблема?

Проблема для России прежде всего в запредельной сложности создания самого главного устройства для реализации техпроцесса, а именно, фотоувеличителя с нужным разрешением. Точнее, тут он не фотоувеличитель, а фотоуменьшитель, потому что «негатив», то есть фотошаблоны многочисленных слоёв процессора, заметно крупнее самого кристалла микросхемы.

Этот фотоуменьшитель называется литограф (потому что техпроцесс выращивания электронной схемы на кремниевой пластине называется фотолитографией) или степпер (потому что в него загружается большая кремниевая пластина, на которой установка пошагово, на английском — step by step, засвечивает несколько её участков для создания сразу нескольких микросхем на одной пластине.

СССР производил свои литографы в Белоруссии, в Минске, на заводе Планар, и дошёл до техпроцесса с минимальным размером элементов 500 нанометров (нм). После развала СССР Беларусь смогла довести литограф только до техпроцесса 350 нм, тогда как компания ASML в Нидерландах сегодня выпускает литографы для техпроцесса 2 нм, реализуемого на Тайване на фабрике TSMC.

Литографы для современных техпроцессов в Россию не продают. Но в нулевых годах российскому заводу «Микрон» удалось приобрести литографические линии на 180 и 90 нм.

Сегодня даже такие установки Запад в Россию не продаёт, но, по слухам, литографы уровня 180-90 нм нам недавно вроде бы поставил Китай (но это не точно). Также в 2024-м году в России впервые удалось сделать свой литограф на 350 нм (сейчас он проходит испытания) на базе белорусского литографа с привлечением их сотрудников, а сейчас ведётся разработка литографа и на 130 нм.

Вместе с тем, литографы такого уровня хотя и перекрывают большинство потребностей нашей страны в самых разных микросхемах, но не могут применяться для создания современных микропроцессоров.

Почему нужен именно рентгеновский литограф?

Все вышеупоминаемые российские литографы производят засветку светочувствительного слоя ультрафиолетовым «светом» с длиной волны 248 нм (и в перспективе 193 нм). Эта длина волны позволяет засвечивать элементы с размерами, достаточными для техпроцессов 180 нм и 90 нм соответственно, но более мелкие элементы при более тонких техпроцессах мешает засвечивать явление дифракции (отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн), напрямую связанное с длиной этой волны.

Некоторые приёмы, суть которых я сейчас объяснять не буду, позволяют какое-то время бороться с этой дифракцией. Для длины волны излучения 193 нм:

• фазовый сдвиг — позволяет осуществлять техпроцесс до 45 нм.
• иммерсионные технологии с фазовым сдвигом — до 32 нм.
• иммерсионные технологии с фазовым сдвигом и двойной экспозицией — до 22 нм.

Но все эти технологии приводят к серьёзному удорожанию техпроцесса, а некоторые — и к удорожанию самого литографа. Кроме того, заметно снижается количество выхода годных изделий (большой процент брака).

Выходом могло было бы послужить и дальнейшее постепенное укорачивание длины волны источника излучения («света»), но загвоздка оказалась в том, что излучение короче 193 нм уже плохо проходит через линзы.

Замечу, что диапазон видимого света — это длины волн от 380 до 780 нм. То есть, мы уже говорим о более высокочастотном диапазоне излучений, чем видимый свет, а именно, об ультрафиолете. А мы знаем, что даже обычное оконное стекло уже задерживает ультрафиолет.

Выход был найден в применении вместо линз — фокусирующих зеркал. Но коэффициент отражения столь коротких длин волн от зеркал оказался тоже невысоким а такие зеркала — очень сложным «слоёным пирогом». Поэтому постепенное уменьшение длины волны излучения уже не имело смысла, и его уменьшили сразу радикально — до 13,5 нм. Всё равно нужно сложные многослойные зеркала делать вместо линз.

Напоминаю, что рентгеновский диапазон чисто условно начинается с 10 нм и короче, но физически волны уровня 13,5 нм ведут себя точно так же, как и рентген, поэтому к ним применяется именно рентгеновская оптика и литограф российские специалисты называют рентгеновским.

Зарубежные специалисты более педантичны, и называют такой литограф литографом экстремального ультрафиолета (EUV), что формально верно, а по сути — не совсем. Подробно о диапазонах электромагнитного излучения, их применении, а также о его природе можно почитать у меня в статье «Опасность сотовой связи 5G. Насколько она реальна? Высокие частоты». Там этому посвящены отдельные главы.

В чём отличие российского варианта рентгеновского литографа

История вопроса

Рентгеновские (EUV) литографы в Нидерландах компания ASML начала серийно производить ещё в 2017-м году. При этом первый прототип появился в 2006 году.

В научных изысканиях и разработках принимали участие и российские учёные из института ИФМ РАН (по теме рентгеновских зеркал), а Институт спектроскопии РАН занимался разработкой источника излучения.

Ещё в 2002 году для генерации рентгеновского излучения в диапазоне 13,5 нм к.ф.-м.н. К.Н.Кошелев из лаборатории атомной спектроскопии впервые предложил использовать олово.

То есть, наши институты фактически оказались донорами двух ключевых технологий для ASML. Они не производили для неё это оборудование, но участвовали в его разработке а также в моделировании многих внутренних процессов в EUV-литографе, например, взаимодействия плазмы с оптикой, с элементами источника излучения, моделировании защиты оптики, деградации и других численных экспериментах.

EUV-технология ASML

Есть два нюанса, из-за которых EUV-технология от ASML слишком дорогая.

Во-первых, изначально при разработке литографа компанией преследовалась цель создать машину той же производительности (не ниже), что и уже имевшиеся на фабриках обычные ультрафиолетовые литографы. Ведь работать они должны были практически для всего глобального мира.

Поэтому понадобился мощный источник излучения и стойкие к этой мощности компоненты оптической системы, которые, тем не менее, нужно часто менять из-за деградации и загрязнений.

Во-вторых, наука того времени не располагала всеми теми познаниями и наработками альтернативных вариантов, которые имеются в мире сегодня.

EUV-литография в России

Российские учёные из ИФМ РАН относительно недавно предложили серьёзно удешевить рентгеновский EUV-литограф за счёт некоторого снижения его производительности, не столь актуальной в условиях ограниченного рынка России и её союзников.

Вместо довольно проблемного мощного оловянного источника излучения c длиной волны 13,5 нм предлагается использовать менее мощный но более компактный и технически более удобный источник излучения на ксеноне с длиной волны 11,2 нм.

Кроме того, многослойными зеркалами Ru/Be (рутений-бериллиевыми) для фокусировки излучения 11,2 нм учёные на сегодняшний день добились большего коэффициента отражения, чем Mo/Si (молибден-кремниевыми) для излучения 13,5 нм, а само уменьшение длины волны с 13,5 нм до 11,2 нм позволяет либо увеличить разрешение литографа, либо заметно упростить его оптическую систему.

К слову, ИФМ РАН уже в 2022-м году разработали технологию напыления многослойных Ru/Be-зеркал с коэффициентом отражения 72%. Рекордное значение 72% удалось достигнуть, используя молибден в качестве буферного слоя для уменьшения перемешивания слоёв (Ru/Mo/Be/Mo).

Напомню, что для эффективного отражения рентгеновского излучения одной поверхности зеркала не хватает. Большой процент излучения пронизывает поверхность первого его слоя, и частично отражается на следующем слое, который тоже пронизывает и идёт глубже. Поэтому рентгеновские зеркала имеют несколько десятков таких слоёв, чтобы отразить максимальное количество излучения.

Какие работы ведутся сегодня

ИФМ РАН получает внешнее финансирование, выполняя некоторые научные работы в интересах Китая, который тоже интенсивно занимается разработкой литографов. Кстати, об одной такой китайской разработке я рассказывал в своей недавней статье.

Благодаря такому сотрудничеству наши учёные приобретают новые знания для постройки российского литографа и финансирование для своих дальнейших исследований.

Активные работы ведутся в ИФМ РАН по лазеро-плазменным источникам рентгеновского излучения с привлечением научного коллектива из Троицка.

На фоне этого, ещё осенью 2024-го года Минпромторг заказал ФПИ (Фонду перспективных исследований) выполнить аванпроект по обоснованности работ первого этапа и всего проекта рентгеновского литографа.

Замечу, что изначально в Минпромторге рассматривали возможность сразу профинансировать первый этап (т.н. альфа-машину) в размере 3 млрд рублей, но в итоге не рискнули бросаться в омут с головой и решили перестраховаться.

ФПИ, в свою очередь, обратился к российским научным организациям с предложением реализовать аванпроект «Обоснование технической возможности создания отечественного рентгеновского проекционного литографа» за 10 млн рублей.

На стратегической сессии обозначились 3 команды: консорциум, возглавляемый ИФМ РАН, МИЭТ и ВНИИЭФ. Но позже ВНИИЭФ так и не подал заявку на выполнение аванпроекта, а предложение МИЭТа вроде как отклонили по ходу подготовки заявки. Так или иначе, но за аванпроект в итоге взялся ИФМ РАН.

Аванпроект стартовал 3 марта 2025 года. Он рассчитан на 7 месяцев и предусматривает привлечение организаций, готовых к исполнению его составных частей. Среди участников проекта — ИФМ РАН, ИПФ РАН, ИС РАН, МГТУ им. Н.Э. Баумана, ООО «Поликетон», ООО «Скоростные системы связи».

Результатов аванпроекта ожидаем осенью 2025-го года. По его итогам будет запущен уже большой проект по первому этапу создания рентгеновского литографа.

Заключение

Надеюсь, мне удалось описать происходящее у нас в России в сфере производства чипов достаточно понятно, в том числе, и для тех читателей, кто «не имеет высшего физического образования», но тоже хочет получить представление, почему же вокруг этих литографов у нас столько шумихи.

Оригинал публикации в блоге автора на Дзене: https://dzen.ru/a/Z9WY4Zxc8zql-PGF

Об авторе: Специалист в области отечественной микроэлектроники, ведёт свой тематический канал «Электромозг» о российской микроэлектронике на платформе «Дзен».

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ наши материалы:

Первый серийный российский ноутбук на Эльбрусе-2С3 появится в 2025 году

Противники российских процессоров и операционных систем устраивают истерику в СМИ

Новые российские СВЧ-модули заменят американские, немецкие и французские аналоги

Российский ученый: В современной технике нужны микросхемы самых разных размеров

Как в России за 10 лет полностью изменить ИТ-сферу и какие меры для этого нужны?