О принципиально новом фотолитографе Российской разработки и зачем нашему правительству нужно вспомнить Боевой устав советской пехоты

Профессор Раховский, работающий над созданием принципиально нового фотолитографа — важнейшей машины для производства микроэлектроники, предлагает нашему правительству вспомнить Боевой устав советской пехоты.

Фотолитографическая машина — ключевое устройство в производстве микроэлектроники (см. «Для чего нужен фотолитограф» в конце статьи). Сложность и цена такого оборудования непрерывно возрастают. В мире существуют всего две-три компании, способные создавать такие машины для производства самых современных процессоров. Это либо американские компании, либо фактически находящиеся под их контролем. Они тратят на разработку этих машин десятки миллиардов долларов. И фактически контролируют производство процессоров во всем мире. Однако в России нашлись смельчаки, бросившие вызов гигантам мирового электронного машиностроения. В июле мы опубликовали статью «Возродить электронное машиностроение» (см. «Эксперт» № 26 за 2016 год), в которой рассказали о работе российских инженеров, создающих фотолитограф на новых принципах. К сожалению, как это часто бывает, им не поверили на родине, зато поверили в Швейцарии, где команда сейчас и продолжает свою работу. Сегодня мы беседуем с руководителем этой разработки профессором, доктором физико-математических наук Вадимом Раховским. 

— Разработкой фотолитографических машин в мире занимаются крупнейшие компании, которые тратят на это многие миллиарды долларов. Как вы решились составить им конкуренцию и почему вообще пришли к фотолитографии? 

— В 1992 году, когда российская наука терпела крушение, а способные молодые специалисты стали предпочитать работе над диссертациями работу челноков и ларечников, я и мои сотрудники из ВНИИМС (Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологической службы. — «Эксперт»), где мы все работали, создали, чтобы выжить, свою фирму. 

Работа, если появлялся какой-никакой заказчик, была рутинной, а сколько-нибудь интересные исследования для перспективных технологий никому не были нужны. Как легко понять, моим коллегам и мне это совершенно осточертело. Но в это время нам иногда перепадали заказы от еле живых организаций — останков советской электроники. Приходившие к нам разработчики и технологи неизменно жаловались, что их замучили дефекты на фотошаблонах — проекционных масках, возникавшие в процессе их изготовления и эксплуатации. При этом по мере перехода ко все меньшим технологическим нормам требования к размерам и числу допустимых дефектов маски становились все строже и строже. Например, для технологического уровня 90 нанометров отношение общей площади дефектов на поверхности маски к площади ее поверхности составляло 10–11. 

Мы стали придумывать разные способы уменьшения дефектности масок, но оказалось, что все решения, которые мы придумываем, каждый раз при переходе на следующий уровень миниатюризации перестают действовать, потому что те дефекты, которые раньше были не важны, становились убивающими — killing defects. А ведь такой дефект маски при каждом экспонировании постоянно воспроизводится на изображениях, ею создаваемых. В конце концов мы поняли, что надо заняться поисками радикального метода устранения влияния дефектов фотошаблонов на качество создаваемого ими изображения. 

— Тем более что требуется не одна маска, а целый набор. 

— При производстве современных микропроцессоров с помощью проекционной литографии приходится совершать операции фотолитографии более чем 50–60 раз — каждый раз над новым слоем. А переход к технологическим нормам в 32 нанометра и ниже в связи с необходимостью преодоления дифракционного предела* заставил прибегнуть к использованию так называемого мультипаттернинга**, то есть еще большего числа масок и литографических циклов для создания каждого слоя. При этом стоимость комплекта таких масок возрастает практически экспоненциально. 

Так, по данным одного из последних обзоров, при переходе от технологического уровня 500 нанометров к технологическому уровню 10 нанометров стоимость проекционной маски для критического слоя возросла с 400 долларов до 700 тысяч долларов, то есть в 1750 раз. 

Однако проблемы традиционной проекционной фотолитографии обусловлены не только экспоненциальным ростом стоимости масок, но и чрезвычайной сложностью и дороговизной микрофотолитографа, в первую очередь невероятно сложного и дорогого проекционного объектива. Современные литографические объективы фирмы Carl Zeiss, которая практически монополизировала рынок высокоразрешающих литографических объективов и фактически является их единственным производителем для литографического оборудования хай-энд, имеют высоту до 170 сантиметров, диаметр до 600 миллиметров, содержат около 40 чрезвычайно высококачественных линз и отражающих оптических элементов и весят до 800 килограммов. Для их сборки и юстировки фирма создала специальный комплекс, оснащенный самым современным контрольным оборудованием, создание которого обошлось, по слухам, почти в миллиард долларов. В результате стоимость современных фотолитографов выросла за последние 28 лет в 240 раз и достигает нескольких десятков миллионов долларов. Не случайно в настоящее время только самые крупные компании в мире способны производить микропроцессоры с технологическими нормами меньше 28 нанометров, а разработка новых технологий создания чипов с использованием технологических норм менее 20 нанометров реально доступна сегодня лишь Intel Corp., TSMC и Samsung, ежегодно тратящим на исследования многие миллиарды долларов. 


*Дифракционный предел определяет минимальный размер топологического элемента, который может быть получен с помощью оптической системы. 

**Суть этой технологической операции заключается в использовании нескольких масок для формирования топологии одного слоя.

Что толку решать задачи, имеющие решение 

— И какой же выход вы нашли? 

— Столкнувшись со всеми эти фактами, я тогда впервые подумал: а зачем вообще использовать проекционный метод, раз при проекции вы неизбежно передаете все дефекты с маски на кремниевую пластину? Да к тому же все это баснословно дорого. Надо было придумать, каким образом создавать изображение, которое было бы практически нечувствительным к дефектам маски. Ответ пришел, что называется, сам собой: просто следовало использовать голографический способ генерации изображения. И я решил, что нужно заняться решением этой проблемы — разработкой фотолитографии, использующей голографическую маску. Если бы мне кто-нибудь рассказал, какой путь потребуется пройти, чтобы сделать это, — а разработка началась в конце 2001-го, — я не уверен, что взялся бы за это дело. Но тогда была полная разруха, эмигрировать я не собирался. А значит, надо было придумать, чем заняться. 

Почему именно голография? Во-первых, разумеется предельно упрощая, можно сказать, что каждая точка голограммы несет информацию обо всем изображении. И поэтому влияние локальных дефектов на получаемое изображение пренебрежимо мало. По нашим оценкам получалось, что даже при дефектах, занимающих до одного процента площади голограммной маски, качество создаваемого с ее помощью изображения практически не пострадает. То есть чувствительность изображения к локальным дефектам голограммной маски была на 9–10 порядков меньше, чем у обычной проекционной. В результате существенно снижаются требования к технологии хранения масок, сокращаются дорогостоящие регулярный контроль и ремонт масок, а срок службы голограммных масок становился практически «вечным», радикально снижались требования к параметрам «чистых комнат». Мы, например, свои первые результаты получили просто в комнате, расположенной, по сути, при гараже, — как бы следуя традициям, заложенным Хьюлеттом и Паккардом, Джобсом и Возняком. Очень хотелось бы, чтобы и наши конечные результаты оказались подобны результатам предшественников (шутка!). 

Например, чтобы доказать потенциальным инвесторам, что создаваемое изображение практически нечувствительно к дефектам голограммной маски, мы разрезали голографическую маску на три части. Освещали лазером каждую часть, и от каждой из них получали одно и то же изображение, что, разумеется, невозможно в случае использования проекционной маски. 

Голографическая литография*** свободна и от других весьма существенных ограничений проекционной литографии ― например, от необходимости борьбы с дифракционными искажениями создаваемого изображения, поскольку она использует дифракцию света в качестве инструмента для создания изображений. Можно даже сказать, что если в проекционной литографии дифракционные искажения являются неизбежным злом, то в голографической литографии изображение формируется именно в результате дифракции. 

Голографическая литография радикально решает и проблему проекционного объектива, поскольку для воспроизведения голографического изображения он вообще не требуется (см. схему 1). Требуется лишь простейший объектив (иллюминатор) для освещения маски. Мы теперь знаем, как сделать этот осветитель так, что он будет содержать всего две линзы, а значит, и стоимость такого устройства будет минимальна. 

Вы, наверное, слышали о законе Мура, который гласит, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца; при этом, хотя микросхемы дорожают, условная стоимость отдельного транзистора и, соответственно, электронных приборов падает. Однако в последние годы все больше специалистов приходят к выводу, что закон Мура перестает действовать. В частности, как недавно было отмечено даже в статье в The New York Times, «большая часть полупроводниковой промышленности в настоящее время настаивает на том, что стоимость каждого транзистора в компьютерных чипах перестала падать». Так вот, голографическая литография может в несколько раз уменьшить стоимость оборудования на литографической стадии производства чипов, составляющей сегодня свыше половины себестоимости чипов, что открывает новые перспективы для продления действия закона Мура.

— Вряд ли все обошлось без проблем. 

— Конечно. Первая проблема, с которой мы столкнулись, состояла в том, что голограммную маску надо было рассчитать. Дело в том, что обычная голограмма возникает в результате интерференции двух световых волн — опорной, идущей непосредственно от лазера, и предметной, провзаимодействовавшей с объектом записи. 

В нашем случае у нас нет объекта, голограмму которого мы хотим создать, а нам, зная, какое изображение мы хотим получить, нужно было рассчитать голографическую маску, то есть решить так называемую обратную задачу, а это, как правило, занятие весьма нетривиальное (см. схему 2). На этом пути мы довольно быстро напоролись на большие математические сложности, которые ни я, ни мои коллеги преодолеть не смогли. 

Но не имей сто рублей! И у меня их действительно тогда не было, но у меня был друг — профессор Владимир Андреевич Боровиков, один из создателей современной асимптотической теории дифракции, которого я знал с юности и без которого, скорее всего, мы вряд ли продвинулись бы дальше. 

Его всегда притягивали задачи, которые, казалось бы, нельзя решить. Просто он чтил Стругацких, один из героев которых, знаменитый маг Кристобаль Хунта, задал сакраментальный вопрос: «А что толку решать задачи, которые имеют решение?!» Поэтому, когда я пришел к Боровикову, мне не пришлось его уговаривать попытаться помочь нам решить возникшую проблему. И он действительно смог предложить исключительно элегантное и красивое решение. И это несмотря на то, что, к великому сожалению, он в это время был уже безнадежно болен. 



***Sub-Wavelength Holographic Lithography; SWHL. 




Математика как производительная сила 



— А что значит «рассчитать голограмму»? 

— По сути, это некий способ решения уравнений Максвелла с помощью специально разработанного нами метода. В частности, одна из проблем состоит в том, что в голографии вы получаете три изображения: центральный пучок, первый порядок дифракции, ваш рабочий, и минус первый — паразитный. Необходимо минимизировать влияние центрального и минус первого пучков на изображение, создаваемое с помощью голографической маски. Именно это удалось Боровикову. Оказалось также, что прямой, что называется «в лоб», расчет голограммной маски приводит к необходимости выполнения около 1024 арифметических операций. Такое количество операций неосуществимо ни на одном современном компьютере. Нам удалось радикально уменьшить требуемый объем операций до уровня, реализуемого не только на современных суперкомпьютерах, но и на широко распространенных вычислительных кластерах, а в некоторых случаях и на обычном ноутбуке. Это удалось сделать благодаря великолепной работе, выполненной сотрудниками нашей фирмы профессором Алексеем Шамаевым, привлеченным к участию в разработке еще Боровиковым, и его учениками Петром Михеевым и Виталием Черником.

В конце концов мы создали программный комплекс, позволяющий синтезировать голограммные маски для получения с применением SWHL не только практически любых топологий, реализуемых с помощью проекционной литографии, но и топологий, которые последняя не может создать при равных параметрах используемых оптических схем. 

И тут мы столкнулись еще с одной проблемой. Оказалось, что если пользоваться при воспроизведении голограммы плоской волной, то требования к топологии маски становятся такими, что ее невозможно изготовить. Владимир Андреевич математически доказал, что для решения этой проблемы надо работать со сферически сходящейся волной. Мне неизвестны другие удачные попытки решения этой проблемы, но нам это удалось. И мы это тоже запатентовали. 

И наконец, голографическая литография позволяет получать не только плоское изображение, как это делает проекционная литография, но и создавать изображение в процессе одной экспозиции в плоскостях, отстоящих друг от друга на расстояниях, значительно превышающих глубину фокуса используемой оптической системы, то есть 3D-изображения. Единственное, что необходимо знать заранее, — расстояния между такими плоскостями, чтобы учесть его в процессе расчета голографической маски. 

— А зачем это нужно? Вроде бы кремниевая пластина, из которой делают микросхемы, плоская? 

— Вы, наверное, слышали об интернете вещей (Internet of Things, IoT). Электроника до сих пор всегда была чем-то вроде мозгов. А мозги сами по себе физически недееспособны (по крайней мере пока) — читайте роман «Голова профессора Доуэля» — нужны руки. А руки трехмерны. Что такое руки? Это сенсоры и использующие их сигналы, механические устройства. Итак, если вы хотите, чтобы создаваемые вами микроустройства взаимодействовали друг с другом и без вашего участия делали все, что вы им запрограммируете, для этого нужно создавать трехмерные микромеханизмы и микроэлементы. 

Когда мы рассказали директору Математического института им. Стеклова РАН академику Валерию Васильевичу Козлову о наших результатах, он сказал, что технология голографической фотолитографии — прекрасный пример того, как математика непосредственно, а не опосредованно, может радикально изменять важнейшие технологии. 

— У вас есть конкуренты в мире? 

— Как ни странно, скорее всего нет. Нам неизвестны патенты или публикации, в которых приведены результаты создания произвольных топологий с субволновым разрешением с помощью голограммных масок. По-видимому, следует предположить, что этого не произошло, так как потенциальным конкурентам не удалось найти решение тех математических и технологических проблем, с которыми наша группа смогла справиться. А идеи, лежащие в основе разрабатываемой нами технологии, мы запатентовали и продолжаем патентовать в России и за рубежом.

Нас поняли в Швейцарии 

— И в каком состоянии сейчас ваша разработка? 

— Как я уже упоминал, мы создали программный комплекс для синтеза голограммных масок, что позволяет создавать изображение сложных топологий, используемых в современных интегральных схемах. Чтобы экспериментально проверить принципиальную корректность предлагаемой нами технологии голографической литографии, мы создали оптический стенд. На этом стенде нам удалось получить изображение классической тестовой топологии с таким же разрешением как у проекционной фотолитографии. Этот чрезвычайно важный эксперимент, который перевел наш проект из разряда научно обоснованных предположений в разряд экспериментально доказанных фактов, был весьма успешно проведен Михаилом Борисовым и Дмитрием Челюбеевым. Они великолепно продемонстрировали то, что называется brain acrobatics, акробатику мозга, которая, по мнению наших многочисленных зарубежных коллег, столь характерна для российских физиков. 

— Но все таки вы работаете сейчас в Швейцарии 

Еще в 1992 году я получил звание adjunct professor американского университета; мог уехать, послужной список позволял. Не уехал, потому что думал, что в России все-таки можно будет что-то сделать не только в области бесхозяйственной, с моей точки зрения, продажи сырья. Но два года тому назад понял, что ничего не выходит: время меня поджимает, мне ведь далеко не пятьдесят. И тогда я занялся промотированием нашего проекта за рубежом. 

Несколько лет назад, где-то в 2010-м, меня познакомили с Хайнцем Кундертом, который в то время был президентом Европейского отделения SEMI****. Я ему рассказал о нашей работе, но в тот момент он отнесся к моему рассказу скептически. Через полтора года мы снова пересеклись с господином Кундертом. И он неожиданно попросил: «Расскажите про ваши работы еще раз». И начал нам помогать как человек, абсолютно заинтересованный в деле. 

Без его помощи я никогда не смог бы встретиться с людьми, с которыми он меня познакомил. Например, с руководством и ведущими специалистами Applied Materials, Intel Corp., Европейского центра IBM и так далее. Благодаря Кундерту мы прошли через 22 весьма обстоятельных и репрезентативных обсуждения нашего проекта в крупнейших западноевропейских и американских исследовательских центрах и фирмах, специализирующихся в области микроэлектроники, в том числе в институтах Fraunhofer-Gesellschaft в Германии. Мы смогли теоретически и экспериментально доказать реализуемость нашего проекта. Но нам сказали: «Надо сделать демонстратор. То, что вы делаете в лаборатории, не факт, что получится и в железе». А денег у нас на это не было. Ведь делали мы эту работу, не имея стратегических или финансовых партнеров и за свои гроши, не пользуясь никакой государственной поддержкой. 

А дальше была следующая история. В Швейцарии правительство выдает гранты для того, чтобы швейцарская промышленность лучше себя чувствовала и чтобы новые идеи оставались в Швейцарии. Один из самых лучших инкубаторов таких идей — это Empa, подразделение знаменитого ETH, того самого Технического университета, в котором учился Эйнштейн, попавший туда только со второй попытки. Руководит Empa профессор Жан-Лука Бона. Это организация на сто процентов принадлежит государству, то есть как «Роснано» до 2011 года, но в отличие от «Роснано» реально работает и великолепно коммерциализирует тщательно отбираемые проекты. Поданная заявка на проект рассматривается дважды, рабочей группой и советом учредителей, а срок вынесения положительного или отрицательного решения о дальнейшей судьбе проекта не превышает двух месяцев с момента подачи заявки. 

Профессор Бона был на моей презентации. А после нее спросил: «Как вы думаете дальше продвигаться?» — «Денег нет, не знаю». — «Давайте попробуем что-нибудь сделать». Через некоторое время он позвонил и предложил встретиться со специалистами IBM, с которыми он организовал видеоконференцию. Это были пять ведущих специалистов IBM, работающих в нью-йоркском Thomas J. Watson Research Center. Они меня потрошили два с половиной часа, причем, по-моему, я даже не смог ответить на все вопросы, так как часть их выходила за рамки уже полученных нами результатов и требовала проведения дальнейших исследований. Но после видеоконференции Жан-Лука сказал: «Приходите к нам, давайте работать». Так мы попали в Швейцарию. 

Сейчас мы заняты созданием лаборатории, закупкой оборудования, на приобретение которого Empa выделила деньги, переговорами с европейскими фирмами, которые должны будут изготовить некоторые детали и узлы демонстратора, который, как я надеюсь, мы сможем продемонстрировать в работе через восемь-девять месяцев.

После его запуска, по мнению руководства Empa, у нас должен появиться достаточно серьезный шанс совместно со стратегическим партнером приступить к созданию опытного образца — α-Tool — голографического фотолитографа, который, правда, еще не будет иметь разумной производительности. Это должно занять, согласно разработанному бизнес-плану, 20 месяцев. Интересно отметить, что предложение об использовании двух опытно-промышленных образцов, так называемых β-Tool — голографического литографа, обладающих приемлемой производительностью, у нас уже появилось, хотя эти машины могут быть сделаны не ранее чем через три года. Потенциальный заказчик собирается их использовать в своем исследовательском центре и на серийном заводе одновременно. Но на α-Tool мы должны найти финансирование самостоятельно. Причина этого понятна: промышленность не любит рисковать. 

Мы организовали швейцарскую фирму Nanotech SWHL GmbH, получили разрешения на работу для части российских специалистов, и у нее появился швейцарский директор. Empa выделила деньги на закупку оборудования, но нам самим нужно было найти деньги на зарплату и на проживание. Мы их сейчас находим, к сожалению потихонечку. Друзья помогают. 

— А в России желающих вас поддержать не нашлось? 

— Нас очень активно поддерживал и поддерживает академик Владимир Борисович Бетелин, научный руководитель НИИСИ РАН. Без его помощи мы вряд ли смогли бы получить достигнутые сегодня результаты. Но его финансовые возможности весьма ограниченны. 



****Международная организация производителей оборудования для микроэлектроники.

В правительстве нужны ученые и инженеры 



— А «Роснано», «Сколково»? 

— Не буду вдаваться в подробности, но попытки сотрудничества с «Роснано» меня, мягко выражаясь, разочаровали и подходами, и нравами этой организации, с которыми мне, к сожалению, пришлось столкнуться. 

Что же до «Сколково», то на подававшуюся нами дважды заявку на проект «Cубволновая голографическая литография» ответили, если кратко сформулировать, что этого не может быть, потому что не может быть никогда. А ведь нам в многочисленных обстоятельных обсуждениях нашего проекта в России и за рубежом никто из специалистов ведущих российских, европейских, американских фирм или исследовательских центров, занимающихся микроэлектроникой, не смог указать ни на одну сколько-нибудь существенную ошибку. 

— А в чем, по вашему мнению, проблема: почему в Швейцарии вас заметили, а в России так называемые институты развития не оценили? 

— Проблема в том, что у нас люди типа Анатолия Борисовича Чубайса, с которым я дважды встречался для обсуждения возможности ускорения реализации представленных проектов, считают, управляя инновационной сферой, что главное — это управление per se, а не новые идеи и технологии. Они, по моим впечатлениям, уверены, что специалист по управлению может успешно управлять и прачечной, и микроэлектронным кластером. Но я убежден, что, если вы не знаете основ того дела, которым руководите, ничего дельного у вас никогда не получится. 

По-моему, наше правительство, в котором, насколько мне известно, тоже отсутствуют или пребывают в абсолютном меньшинстве руководители, прошедшие технологическое и промышленное горнило и имеющие авторитет в научном и инженерном сообществе, просто не понимает, что самое главное богатство нации — это передовые технологии и люди, которые их создают и используют. А ведь страна заплатила бешеную цену (в том числе судьбами и кровью выдающихся ученых и инженеров) за наше образование, науку и технологии. А сейчас мы их бездумно теряем. 

У советской власти наряду со всем известными неоспоримыми недостатками было нечто чрезвычайно важное, что позволило очень эффективно развивать науку и технологии. Мы менее чем за двадцать лет стали державой, которая смогла выиграть и технологическую войну с Германией, и длительное время практически на равных конкурировать с США в области науки и высоких технологий при практически несопоставимых уровнях развития экономики. Я помню время, когда лучшим подарком нашим заокеанским коллегам была пара томов «Ландавшица»*****, стоившх чуть больше трех рублей. А сейчас мы не успеваем переводить выходящие монографии с английского. И нам практически недоступны — просто дорого — труды международных конференций, посвященных высоким технологиям, и участие в них, а русская речь все чаще и громче слышна в Кремниевой долине. Мы теряем даже чудом сохранившиеся остатки отечественных высоких технологий. Короче, лучше классика не скажешь: «Распалась связь времен!» А ведь восстановить быстро науку и образование, или, не побоюсь сказать, великую Академию наук СССР, особенно при финансировании их по остаточному принципу, невозможно. 

В Боевом уставе советской пехоты было сказано, что командование обязано всеми силами и ресурсами поддерживать вырвавшиеся вперед подразделения. Может быть, настало время вспомнить это мудрое правило и попытаться всячески поддерживать российские научные коллективы, работающие на передовом крае развития высоких технологий и в России, и за рубежом, как это весьма успешно делает в течение последних двух десятилетий Китай, ставший первой экономикой планеты. Ведь именно наша страна помогла Китаю встать с колен в пятидесятые годы прошлого века. А сейчас нам только и остается, что утешаться тем, что ученик так сильно превзошел своего учителя. 

http://expert.ru/expert/2016/36/preodolet-smertelnyie-defektyi/

http://nauka-novosti.ru/blog/43268954127/Printsipialno-novyiy-fotolitogr...