Путь к сердцу полупроводниковой фабрики: какие литографы доступны России?14.11.2022 22:17

Введение санкций против России и, как следствие, отказ компании TSMC исполнять заказы отечественных дизайн-центров, привёли к ситуации, когда вопрос «где и как производить отечественные чипы» стал ребром. Самым передовым, потенциально доступным промышленным техпроцессом в России, является 90 нм, что в большинстве случаев не подходит для производства современной  микроэлектроники. Поэтому, постройка нового завода на территории России, способного создавать чипы на более современных техпроцессах, стала как никогда актуальной. Для осуществления такой задачи необходимо наличие множества специфичных компетенций, химии, оборудования. Но без преувелечения ключевым элементом любой полупроводниковой фабрики является литограф (вернее даже, литографЫ).  Именно характеристики литографа в первую очередь определяют размер техпроцесса, именно литографы являются самым дорогостоящим оборудованием, вокруг которого, по сути, строится завод. В данном обзоре хотелось бы рассмотреть текущую ситуацию с доступностью литографического оборудования в России — что имеется/разрабатывается у нас и что потенциально возможно купить на стороне.

Сначала хотелось бы осветить несколько общих моментов для лучшего понимания ситуации на рынке литографического оборудования. Существует множество моделей литографов и характеристик, определяющих их качество и возможности. Но в контексте рассматриваемой темы нам важно понимать следующие различия.

Во-первых, в индустрии микроэлектроники используется 2 основных вида литографии: фотолитография и электронно-лучевая. В просторечье их часто называют масочная и безмасочная, т.к. в первом случае для нанесения структур на пластину необходимо изготовление специального фотошаблона (маски), тогда как во втором работа происходит непосредственно направленным пучком частиц и маска не требуется. Изготовление фотошаблона (вернее, набора фотошаблонов, т.к. их требуется несколько десятков в зависимости от техпроцесса) вещь достаточно дорогостоящая, для топовых нанометров достигающая миллионов долларов. Поэтому, в теории, фотолитография имеет более высокий ценовой порог входа при производстве чипов. Но на порядок (даже на порядки) большая производительность по сравнению с безмасочными аналогами с лихвой компенсирует этот недостаток. Поэтому, на практике в промышленном производстве используется только фотолитография. Безмасочные литографы используются для специальных применений, научных экспериментов и крайне мелкосерийного производства.

Во-вторых, ключевой параметр любого литографа — это то разрешение, с которым он позволяет формировать структуры на кремниевой (и не только) пластине. В свою очередь, главным параметром, определяющим разрешение, является длина волны, генерируемой источником излучения литографа. Поэтому минимально современные литографы можно условно разделить на следующие классы (по мере возрастания разрешающей способности):

Из открытых источников можно установить, что в России есть как минимум следующие промышленные литографы:

Для производства чипов по техпроцессу 45 нм и ниже обычно уже нужны установки иммерсионной литографии (ArF immersion), для техпроцессов ниже 7 нм — EUV-литографы.  Иммерсионных и EUV-литографов в России, насколько мне известно, в данный момент нет.

Кто в мире производит литографы? Почти 100% рынка производства литографов в денежном выражении занимают 3 игрока: ASML, Голландия (91%), Nikon, Япония (6%), Canon, Япония (3%). Остальные игроки занимают пренебрежимо малую долю. Причём, если мы говорим об иммерсионных литографах, то их в мире производят только 2 компании — ASML и Nikon, распределение их долей выглядит так:

С EUV-литографами всё ещё проще — на данный момент их делает только ASML.

Подводя небольшой итог — производство необходимых России литографов фактически сосредоточено в 2-х странах —  Голландии и Японии, а в случае EUV-литографов — только в Голландии. Понятно, что в текущих условиях приобретение такого оборудования для России у непосредственных производителей невозможно.

Какие в таком случае опции существуют у России?

1. Минский Интеграл

Предприятие в Минске являлось чуть ли не единственным промышленным производством литографического оборудования в СССР. К счастью, оно смогло сохраниться и дожить до нынешних дней. На текущий момент оно в состоянии производить степперы на 350 нм работающие на ограниченном поле. Подробнее можно почитать здесь.

Литография на 350 нм — это совершенно не то, что может решить текущие проблемы производства в России, поэтому подробно на этом пункте мы останаваливаться не будем.

По ссылке выше так же упоминается разработка полноформатных степперов на 350 нм и 130 нм с окончанием работ в 2025–2026 годах. Об этом поговорим в следующем пункте. 

2.  Зеленоградский нанотехнологический центр

В 2021-ом году ЗНТЦ выиграл 2 тендера на разработку отечественных литографов на 350 нм к 2025-ому году и на 130 нм к 2026-ому году. В публичных заявлениях представители ЗНТЦ заявляли об участии минского Интеграла в кооперации по разработке данного оборудования. Это выглядит вполне логично и почти наверняка упоминание тех же нанометров и сроков в предыдущем пункте — это один и тот же проект. 

Опять-таки, опустим степпер на 350 нм и остановимся чуть подробнее на характеристиках 130 нм степпера. 

Во-первых, обратим внимание на заявленную цель ОКР:

Целью выполнения ОКР является разработка конструкторской документации с литерой «О», изготовление опытного образца установки проекционного переноса изображений топологического рисунка ИС на пластину (Step&Repeat)  и источников излучения с длинной волны 193 и 248 нм, постановка базовых технологических процессов (БТП) проекционного переноса изображений на пластину (Step&Repeat) с размером минимального конструкционного элемента 130 нм*. Установка предназначена для проекционного переноса изображения фотошаблона на полупроводниковую пластину и мультипликации его на пластине при изготовлении СБИС с проектной топологической нормой 0,13 мкм

Здесь обращает внимание, что заявляется работа степпера на 2-х источниках излучения — 193 и 248 нм.

Далее, посмотрим на заявляемые характеристики разрабатываемого литографа и сравним его с ASML PAS 5500/300C, который имеется в наличии на ЗНТЦ сейчас:

Собственно, невооруженным взглядом видно, что разрабатываемый степпер выглядит аналогом своего голландского собрата, что вполне логично. Также заметен заложенный потенциал в качестве использования ArF источника излучения, дающего возможность в будущем перейти на более низкие 90–65 нм техпроцессы.

3. Безмасочная литография на 28 нм от МИЭТ

Опять же в конце 2021-го года Минпромторг провёл конкурс:

на право заключения государственного контракта на выполнение научно-исследовательскойработы «Разработка установки безмасочной рентгеновской нанолитографии на основе МЭМС динамической маски для формирования наноструктур с размерами от 13 нм и ниже на базе синхротронного и/или плазменного источника», шифр «Рентген-Литограф»

Ссылка на конкурс здесь.

Параметры планируемого к созданию литографа:

Собственно характеристики выглядят многообещающе, по модулю производительности — она крайне низкая, что вполне типично для безмасочных литографов (имеется ввиду без фотошаблонов, о чём было упомянуто в начале статьи, т.к. упоминаемая в НИР динамическая маска на основе МЭМС не является классической фотомаской). Сложно сказать,  насколько данные характеристики могут быть улучшены, но в заявленном виде данный литограф не может стать основой современной промышленной полупроводниковой фабрики. Да и статус данной работы в виде НИР, в купе с короткими сроками, скорее предполагает проведение исследований с созданием экспериментального оборудования, а не разработку готового промышленного решения.

4. 7 нм от ИПФ/ИФМ РАН

Буквально совсем недавно в российском сегменте сети Интернет прогремела новость о том, что «В России создадут литограф для выпуска чипов с топологией 7 нм».

Новость сопровождалась вот таким схематичным описанием установки:

И вот тут есть некоторые интересные моменты.

Вообще говоря, изначально данную новость я списал на очередную шумиху по поводу безмасочного литографа из п. 3. Казалось бы, то же рентгеновское излучение, те же люди из ИПФ/ИФМ РАН, те же слова о том, что «В России настолько скоростные машины попросту никому не нужны», т.е. речь о невысокой производительности. Но более внимательное рассмотрение вопроса выявило некоторые нестыковки:

• ОКР на безмасочный литограф из п.3 заканчивается в ноябре 2022 года. Анонсируемый же 7 нм литограф планируется к созданию в три этапа: 2024-ый год альфа машина, 2026-ой год бета машина, 2028-ой год финальная (промышленная?) версия.

• У безмасочного литографа рабочим излучением стоит 13.5 нм (т.е. лазером облучается олово, также, как в литографах от ASML), когда как у 7 нм литографа источник излучения ксенон и длина волны 11.5 нм.

• Некоторые детали на приведённом выше схематичном изображении 7 нм литографа наводят на мысль, что данное устройство является классическим масочным литографом.

Собственно, без более подробной информации или комментариев людей, имеющих непосредственное отношение к данному проекту, трудно сказать, является ли данный 7 нм литограф идейным продолжением НИР из п.3, или всё же мы имеем дело с классическим масочным EUV-литографом, пусть и создаваемого на базе разработок данного НИР. Если последнее, то это выглядит достаточно амбициозно, и если к 2028-ому году действительно удастся создать реальный промышленный EUV-литограф — это будет, несомненно, огромным успехом, т.к. напомню, на текущий момент такие установки в мире делает только ASML.

Ещё интересный момент, что в данном случае в качестве источника излучения выбран газ ксенон. На заре зарождения EUV-литографии газ ксенон считался наиболее перспективным вариантом, но дальнейшие  исследования привели индустрию к выбору олова, а промышленые рабочие установки на ксеноне так и не получили билет в жизнь. Чем обусловлен выбор ксенона и каким образом создателям данной литографической установки удалось победить его проблемы — крайне интригующий вопрос.

5. Китай

Из всей заграницы,   есть только одна страна, которая потенциально может нам помочь — Китай. 

На текущий момент главный (и единственный достоверно известный) производитель литографического оборудования в Китае — это компания Shanghai Microelectronics Equipment. Из представленной на сайте продукции наиболее совершенным литографом является 90 нм модель SSA600/20. Т.е. это примерно соответствует уровню литографического оборудования, которое имеется на данный момент на заводе Микрон.

Правда, тут есть один важный нюанс. В найденной на просторах интернета отчётности SMEE есть данные о выручке с разбиением по классам литографических систем, и выглядят они вот так:

Статистика заканчивается 2019-ым годом. Если она верна, то можно сделать вывод, что по факту основным продаваемым продуктом компании SMEE является i-line степпер на 280 нм. Было некоторое количество продаж KrF-степперов на 110 нм, последние из которых датируются 2014-ым годом. Поставка 90 нм ArF-степперов на момент окончания 2019-го года в отчёте не фигурирует, и никакой достоверной информации о том, работают ли такие степперы на промышленном производстве мне найти не удалось.

Также последние 2 года в китайском интернете активно распространялась информация о разработке иммерсионного литографа SSA800/10W на 28 нм (с потенциалом чуть ли не до 7 нм). Но опять-таки, никакой достоверной информации о том, в каком состоянии находится данная разработка, мне найти не удалось. Есть только сообщения такого рода:

В последнее время в Интернете появились слухи о том, что станок Shanghai Microelectronics с »28-нм литографией» (по слухам, модель SSA800/10W) не прошел национальную приемку по спецпроекту 02 и не сможет быть завершен к концу 2021 года

А также информация, что компания Beijing GuoWang Optical Technology Co. столкнулась с трудностями при введении нового завода, где планировалось производство оптических систем для передовых китайских литографов, и его запуск был перенесён с 2019-го на 2023-ий год.

Также в публичном пространстве постоянно циркулирует информация о разработке Китаем собственной EUV-литографии. Но состояние данного проекта покрыто мраком и нет никакой достоверной информации о том, на какой стадии находится проект и насколько он близок к созданию образца промышленного уровня. Возможно, уважаемый @koreec мог бы здесь дать свои комментарии.

Резюмируя, на данный момент Китай не имеет в наличии готовых литографов собственной разработки, которые могут помочь России сократить технологическое отставание в области промышленного производства микроэлектроники на более тонких нанометрах. Возможно, что данная ситуация изменится в ближайшие годы, но предсказать развитие событий здесь крайне сложно.

6. Вторичный рынок оборудования

Для полноты картины стоит упомянуть и данный вариант — покупка оборудования на вторичном рынке. Насколько реалистичен такой вариант в ситуации, когда покупка и наладка происходят без одобрения и участия производителя — мне сказать сложно. Но что-то подсказывает, что с учётом высочайшей сложности оборудования — это малореально. И опять-таки, по сути здесь можно вести речь только о Китае, т.к. только там есть в наличии иммерсионные литографы, которые необходимы России (остальные страны официально будут придерживаться политики санкций). Но у Китая, самого находящегося под серьёзными санкциями и испытывающего дефицит передовых мощностей по производству чипов, такого оборудования немного и оно крайне загружено. Мне трудно представить, что в этой ситуации кто-то в Китае возьмёт и отдаст России столь ценное оборудование.

Такова, вкратце, текущая ситуация.

© Habrahabr.ru