Цивилизация
— Николай Иванович, в Советском Союзе, на заре развития микроэлектроники, в Белорусской ССР производились литографы для печати микросхем. Они пользовались спросом на Юго-Востоке Азии и в восточноевропейских странах. С этого момента прошло 43 года. Белоруссия продолжает выпускать те же литографы. А как изменились принципы печати микросхем в мире с того времени?
— Изменились кардинально. В мире идет борьба за то, чтобы сформировать на пластине максимально маленький объект. Если вы минимизируете элементы, то сможете нарисовать больше транзисторов на пластине. Литография борется именно за это.
Для того чтобы разместить на пластине как можно больше транзисторов, разработчики литографов значительно изменили принципы их построения.
Николай Чхало
Фото из личного архива— Какими стали новые принципы?
— Первым делом, еще в конце 1980-х изменилась схема печати — стали одновременно засвечивать не всю маску, а только ее часть. В этом случае аберрация (погрешность) объектива меньше, что обеспечивает лучшее пространственное разрешение. Полное изображение получается за счет согласованного перемещения маски и пластины с резистом (это материал который изменяет свои физико-химические свойства под воздействием излучения, ультрафиолетового или рентгеновского). То есть сканируется часть рисуночка и осуществляется его передача. Это позволило повысить разрешение.
Второе направление — это укорачивание длины волны, переход от ультрафиолетовых ламп к коротковолновым лазерам 248,193 нм, что тоже позволило увеличить пространственное разрешение.
В-третьих, появилась иммерсионная литография, когда область между пластиной и выходом проекционного объектива заполняется иммерсионной жидкостью.
— Как в микроскопе?
— Да. Когда в микроскопе вы подкручиваете объектив, подводя к вашему образцу, — между ним и объектом расстояние очень маленькое, что можно увидеть сбоку. Чем меньше это расстояние, тем лучшее разрешение можно получить. А если это пространство еще заполнить жидкостью, капля из-за натяжения закроет исследуемый образец, и разрешение повысится.
— Эти три шага дали возможность новым литографам напечатать чипы в несколько нанометров?
— Не литография печатает чипы, как многие думают… Чип создается десятками или сотнями операций, литография — только одна из них. Единственное, что делает литография — рисунок в резисте.
Как в фотоаппарате: вы ставите пластину, ничего не видите, но физически в тех местах, где свет попал на резист, произошли физико-химические изменения резиста, свойств его в засвеченных местах. Потом идут проявления, как в фотографии. Тут тоже проявили и получили систему полосочек, точек, других фигур, как на маске, только в четыре раза меньше размером. Все, литография на этом закончилась.
— А что делают дальше?
— В эти окошечки либо что-то напыляют, либо травлением создают на пластине твердую маску уже не в резисте, а в кремнии, например. Дальше идут другие операции. После того, как они завершили все операции на этом слое, продиагностировали своим методом, что все у них прошло нормально, еще нужно слоев добавить. Опять резист наносят, опять новую маску вставят в литограф, и литограф рисует новый рисунок.
— Получается многоэтажный «город», только микроэлектронный?
— Да, можно себе представить, что сначала в литографе мы видим пластину – чистое поле. Вы в этом поле собираетесь построить город со своей инфраструктурой – асфальтовыми дорогами, канализацией, электрическими проводами. Город трехмерный, все это располагается на разных высотах.
Литография воспроизводит полный план города, который вы собираетесь строить, в масштабе. С помощью нее можно нарисовать полностью всю схему коммуникаций — какие трубы будут проложены, где будут протянуты электрические провода. То есть, это не просто план – вид сверху. Таким образом, с помощью современных литографов можно создать «электронный город», где количество транзисторов и других компонентов такое, какое невозможно было даже представить себе в 80-х годах.
— Благодаря тем трем шагам, которые вы назвали ранее?
— Есть еще четвертый и пятый шаги. Они помогли зайти за предел того, что позволяет оптика. Четвертый шаг – это технология многократного экспонирования. Она кратно позволяет улучшить разрешение. По этой технологии на пластине один слой рисуется за несколько приемов. Каждый раз наносится разряженный рисунок, но сдвинутый относительно предыдущего на несколько нанометров. Таким образом, удается кратно, до 4-х раз еще уменьшить минимальный размер рисунка. Но это очень сложная технология, которая заметно уменьшает производительность литографического процесса, понижает процент годных изделий. И всем хотелось бы избежать таких сложностей.
И пятый шаг – это переход на рентгеновскую литографию. Там сразу длина волны укоротилась со 193 нм до 13,5 нм. Теперь на самых передовых мировых фабриках TSMC (Тайвань), Samsung (Корея) и Intel (США) при изготовлении критических слоев, которые главным образом и определяют технические характеристики чипа, применяется именно эта технология.
— Вы сказали, что технология ими лишь применяется. А кто ее разработал?
— Голландская компания ASML. Только ее специалисты при участии всего мира, в том числе и российских ученых, сумели это сделать.
— Как получилось, что разрабатывал весь мир, а самый передовые литографы производит только ASML?
— У голландцев были заделы. Компания ASML отделилась от Philips. Концерн Philips чем только ни занимался, — в том числе и производством литографического оборудования, только на ультрафиолетовом диапазоне.
Как только у ASML появились амбициозные планы, чипмейкеры со всего мира стали выделять этой компании большие деньги, так как они верили в перспективу.
Японские Canon и Nikon также пытались эту технологию развивать, но у них ничего не получилось. Они сделали демонстрационную машину, но поняли, что неспособны конкурировать с ASML, и эту тему прикрыли.
— Почему же не получилось у Японии?
— С моей точки зрения, одной из причин является то, что ASML вела эту разработку абсолютно открыто. Компания все свои проблемы объявляла публично, устраивала очень часто открытые рабочие совещания и появлялись люди, которые заявляли: «Я могу решить эту проблему». Таким образом они отобрали лучших специалистов в мире. А Япония все это делала в закрытом режиме.
— А что сейчас пытаются создать специалисты ASML?
— Они разрабатывают машину, разрешение в которой еще повысится. Сейчас – это 13 нм, а на новой машине они хотят получить 8-9 нм. Ради этой машины только один Zeiss (мировой технологический лидер в области оптики и оптоэлектроники) несколько заводов построил, чтобы делать оптику для нее. Масштабы фантастические.
— В 2022 году появилась информация, что в лабораторных условиях достигнут размер транзистора 0,34 нм…
— В лабораторных условиях можно хоть чего достичь. Когда говорят, что достигнуты размеры транзисторов 5 нм, 3 нм, 2 нм, — это не значит, что на литографе удалось нарисовать полоску в 5 нм. Полоски там такие же — 12-13 нм. Сейчас уже под понятием технологии понимается другое. А именно: если вы возьмете площадку 12х12 нм, на ней построите 4 транзистора, то у вас будет чип 3 нм.
— Так где проходит самый-самый передовой рубеж?
— Если говорить о плотности рисунка, ультрафиолетовая литография дает 32 нм, а рентгеновская – 13 нм. С использованием технологии многократного экспонирования получены минимальные размеры 8-9 нм.
— То есть на сколько мы в России отстаем?
— В России самое передовое предприятие из работающих – это завод «Микрон». На «Микроне» технология 180–130 нм, говорится о 90 нм. Это именно рисование. То есть
по разрешению литографии мы отстаем на порядок, а по плотности двумерного рисунка на два порядка.
— Почему раньше, без санкций, мы не могли купить передовые литографы?
— Нам их никогда не продавали, так как этот процесс всегда находился под контролем американского правительства. Не только сами литографы не продавали, но даже материалы, которые нужны для производства чипов.
— То есть, сейчас оборудование на «Микроне» сломается… и все?
— На «Микроне» люди героические. Они решают проблемы, которые кажутся неразрешимыми. Но, конечно, необходимо создавать собственное оборудование. Нам было это очевидно и раньше. Мы в «нулевых» годах об этом непрерывно говорили. Но ответ был один: «Все купим».
— Как же «купим», если нам ни разу ничего передового не продали?
— Не знаю.
Сейчас — большие надежды на китайцев. Правда, у них самих нет налаженного производства современных литографов. То есть, ситуация критическая.
— А Россия самостоятельно сможет делать передовой литограф? Япония ведь не смогла…
— Это вопрос серьезный. Но история России показывает, что в критической ситуации и бомба, и ракета была сделана исключительно отечественными специалистами. Нужна только политическая воля.
— Получается, что вы, как специалист, сейчас находитесь в этой ключевой точке. Именно вы и ваши сотрудники можете сделать первый отечественный литограф?
— Здесь нужна колоссальная кооперация. Но мы действительно понимаем, как нужно эту работу делать. Институт физики микроструктур РАН долгие годы работал совместно с ASML, мы видели стандарты работы, видели, как строятся литографы. Кроме того, мы тоже вносили свой вклад. У нас больше сотни публикаций, причем большинство в зарубежных журналах, со специалистами ASML больше двадцати совместных патентов.
Поскольку мы понимаем в этой теме, мы видим, где можем обойти проблемы, над которыми ASML бился десятилетиями.
— Кто-то пытается сейчас в нашей стране, кроме вашей группы, предложить проект литографа?
— Для России это очень актуальный вопрос, существуют группы, которые работают в этой области. Но мы в научной кооперации с НЦФМ представили «дорожную карту» развития отечественной литографии.
В рамках этой «дорожной карты» на первый этап — создание критических технологий рентгеновской литографии – мы выделяем 2 года. Это значит, что альфа-машина будет создана в течение двух лет после начала работ. На ней мы надеемся получить через два года разрешение проекционного объектива сразу 32-28 нм. Мы протестируем все основные элементы литографа уже в реальном масштабе. Это короткий срок, но мы это сделаем.
Второй этап — еще два года — создание бета-машины, уже ориентированной на массовое производство, рисование чипов. У нее разрешение тоже будет на уровне до 28 нм. В ASML интеграция от машины до производства заняла шесть лет примерно. Предполагается, что эта машина пройдет все этапы интеграции в линейке, где-то будет использоваться, может быть, а к 2030 году уже начнется выпуск рабочих литографов. Этот литограф сможет выпускать чипы 28 нм, а потом 14 нм и 12 нм. То есть, это вполне современные размеры.