Российский литограф на 28 нм, когда он будет создан? Актуальная информация с симпозиума 15 марта 2024 года

Несколько дней назад у меня вышла статья «Рентгеновская оптика для российского литографа. Начался симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», в которой я сообщил о начале проведения XXVIII Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника» в Нижнем Новгороде, на котором должен был выступить наш «главный по тарелочкам» (то есть, по рентгеновской оптике) — Николай Иванович Чхало.

В конце той статьи я пообещал озвучить новости про российский рентгеновский литограф, если таковые появятся. Так вот, сегодня, в последний день симпозиума, как и было запланировано, выступил Николай Иванович Чхало с докладом «Дорожная карта развития высокопроизводительной рентгеновской литографии в России».

Итак, что же он сказал интересного? Есть несколько новых моментов.

1. На сегодня работы ведёт не только ИФМ, растущий коллектив которого вы можете видеть на фото ниже:

Уже есть целая команда организаций с имеющимися научно-техническими заделами, которые способны решить проблему создания рентгеновского литографа.

Кстати, Николай Иванович 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.

Кстати, в моей статье «Опасность сотовой связи 5G. Насколько она реальна? Высокие частоты» я приводил полную таблицу длин волн, из которой можно наглядно увидеть по круглым цифрам границ диапазонов всю условность деления электромагнитного диапазона волн на отрезки. Так что давайте уж использовать терминологию наших учёных, которая, несомненно, ближе к физической сути явления.

2. 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:

1. Сверхточная рентгеновская оптика.
2. Высокоэффективные источники рентгеновского излучения
3. Маски (фотошаблоны)
4. Высокоэффективные фильтры спектральной очистки и защиты маски, т.н. пелликлы.
5. Рентгено-резисты (чистая химия).
6. Системы совмещения.
7. Системы сканирования.
8. 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:

Примечательно, что ксеноновый источник с длиной волны 11,2 нм требует на порядок меньшую мощность входящего в его состав лазера, чем оловянный на 13,5 нм у ASML на 22 кВт (и 50 кВт в будущем).

Поставка рабочего экземпляра наносекундного диского лазера мощностью 60 Вт из ИПФ РАН в ИФМ РАН, как центрального компонента источника рентгеновского излучения, для целей исследований ожидается уже осенью этого (2024) года.

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.

Кстати, о преимуществах длины волны 11,2 нм я писал год назад в своей статье «Почему в перспективном российском EUV-литографе предлагается длина волны 11,2 нм а не 13,5 нм, как у ASML?», почитайте, там всё подробно изложено. Единственная поправка — безмасочный (бесфотошаблонный) рентгеновский литограф пока не разрабатывается. О причинах можно прочитать у меня в статье «МЭМС для бесфотошаблонного EUV-литографа в рамках НИР сделать не удалось».

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.

На слайде ниже синим цветом показаны пока отсутствующие у нас технологии для изготовления масок, светлозелёным — имеющиеся, а тёмнозелёным — технологии, в которых мы являемся лидерами:

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 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.

Ну и, в заключение, посмотрим на обновлённые слайды этапов разработки рентгеновского литографа с уточнёнными характеристиками:

Альфа-машина — это не просто прототип, а рабочий прототип, на котором можно будет в ручном режиме обрабатывать 3 пластины в час, что вполне достаточно для выпуска инженерных образцов процессоров. При этом из-за ограничений пока ещё несовершенной системы совмещения и сканирования на этом этапе ожидается техпроцесс 90 нм.

Как и ранее, создание Альфа-машины прогнозируется через 3 года, машины второго этапа ещё через два, и третьего — ещё через два. То есть, «альфа» по оценке ИФМ РАН должна появиться в 2026-2027 годах, машина второго этапа в 2028-2029 и машина третьего этапа в районе 2030-2032 годов. Замечу, что эти даты определены ИФМ РАН исходя из приблизительной оценки состояния дел и возможностей, и не являются «обещаниями власти». Извините, для некоторых приходится уточнять :-)

В нашем обществе сформировалось довольно большое сообщество профессиональных скептиков, и это неудивительно, учитывая те процессы, свидетелями которых мы с вами являемся на протяжении последних 40 лет. Любую положительную информацию они изначально рассматривают, как ложную. Ну а как же — в современной России никогда ничего хорошего быть не может.

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.

Несмотря на то, что я застал социализм, и даже служил в то время срочную службу, причём застал этот социальный строй не в самой лучшей его форме, и видел все отрицательные черты его реализации у нас в стране, я всё же не могу не согласиться, что науку и промышленность в СССР развивали целенаправленно. Да, со всеми косяками и перегибами, но СССР и соцлагерь почти всё производили сами, были почти самодостаточны.

Да, отдельные позиции закупались у капстран, но в 70-х годах прошлого века это 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.

Поэтому мне неприятно видеть злой или саркастический скепсис от «коммунистов», к идеям которых я отношусь с уважением, который они проявляют в адрес сегодняшней России и её попыток поднять собственную науку и производство. Ну вы же сами (коммунисты) были в подобном положении на заре индустриализации, и сталкивались с противодействием «несознательных элементов».

Сейчас та же самая ситуация. Власть не однородна, особенно средний уровень. Там ещё полно этих самых «несознательных элементов», зачастую просто саботирующих процесс. Только время сейчас такое, что после перегибов сталинского времени повторять чистки элит теми же методами, наверное, не очень правильно. Поэтому и очистка проходит дольше. Но она проходит, Чубайсятину выдавливают, другие (приспособленцы) соглашаются работать по новым правилам.

И ещё я бы попросил различать сам социальный строй и конкретные реализации социального строя. Социалистический строй сферической формы в вакууме, безусловно, справедливее такого-же капиталистического строя. Но проблема в реализациях. В СССР реализация была, мягко скажем, не самая лучшая. Между тем, реализация капитализма в некоторых странах стала чем-то напоминать социализм. Китай вообще реализовал прекрасный гибрид, и умело этим пользуется.

Поэтому я призываю своих читателей забыть политические раздоры между собой, и раз уж невозможно на данном этапе резко взять, и поменять социальный строй на тот, который хочется, то хотя бы порадоваться тому, что удалось добиться стране и при этом строе, а успехи есть. И основным их драйвером, несомненно, является геополитическая обстановка. Впрочем, как и в случае с СССР. Не уверен, что СССР развивал бы свою науку и промышленность теми же темпами, если бы весь мир целовал его взасос и продавал ему всё, что он хочет, а цена на нефть и газ была бы сегодняшней.

Это, кстати, в копилку того, что не социальный строй определяет технический прогресс отдельно взятой страны (как мы помним, капиталистические США всё же обгоняли СССР технологически по многим важным направлениям), а геополитическая обстановка вокруг неё, в которой страна вынуждена находиться.

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.

Не будем вдаваться в подробности, почему так (за счёт ограбления колоний, не за счёт ограбления, не важно), но это факт. Думаю, что без ограбления колоний они бы жили, скажем, на том же уровне, что и люди в СССР. То есть, справедливость распределения благ влияет, разве что, только на величину чувства зависти к ближнему, и не более того. Ну, плюс-минус.

Это я опять же к тому, что в социальный строй упираться не надо, надо упираться в его реализацию, в грамотную реализацию того, что уже есть. И в работу в тех условиях, которые есть. Если бы учёные, чтобы начать работать, каждый раз ждали бы смены строя, мы бы очередной раз уронили бы страну. Так что давайте поспокойнее, сограждане :-)

Собственно, к теме литографа

После такого длинного вступления (ну прорвало меня, извиняйте), и на её основе, хочу всё же вернуться к теме создания у нас в России рентгеновского литографа — ключевой и самой сложной и дорогостоящей установки в линии производства микропроцессоров.

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. — ну какой смысл считать строки кода реальных ОС чёрт ти каких уже версий... да и сумма там даже в этом случае не баснословная... ладно, вернёмся к литографу.

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.