18 окТЯБРЯ 2022 | стратегия развития нижегородской области

То, что нано!

Вообразите, что вам необходимо вырезать новогоднюю снежинку из бумаги садовым секатором – ведь маникюрных ножниц нигде не достать. Или подвести глаза с помощь малярной кисти, потому что подводку вам не продадут даже за очень большие деньги.

Если удалось, и тем более – если не получилось это представить, то вы стали на шаг ближе к пониманию одной из главных сложностей производства микроэлектроники. Она получается тем производительнее и энергоэффективнее, чем меньше ее вычислительные элементы, а для этого оборудование, на котором ее делают, должно быть без преувеличения совершенным.

Действительно передовое промышленное оборудование для микроэлектроники сейчас производят всего несколько государств. Но они, естественно, готовы делиться не всем, не со всеми и не бесплатно.
С 2022 года фактически остановлены поставки любого специального технологического и контрольно-измерительного оборудования из недружественных стран, в том числе от ведущих мировых производителей таких решений. Именно эти установки необходимо разрабатывать в первую очередь для обеспечения технологической независимости РФ,
— отмечает член экспертного совета по науке и образованию при Президенте России, президент Ассоциации «Электронное машиностроение» Алексей Алексеев.
Фактически проблема поставок оборудования и материалов для микроэлектроники возникла гораздо раньше – серьезные ограничения появились еще в 2010 году, да и до этого купить можно было только устаревшую на два-три поколения технику.

Но сейчас Нижегородская область готова сделать шаг – казалось бы, всего в один-два десятка нанометров – который должен стать технологическим скачком, дающем России возможность стать одной из передовых держав в сфере производства оборудования для изготовления микроэлектронных компонентов.

Демонстрация намерений

О разработке стало известно в ходе российского Форума «Микроэлектроника 2022» - это основная отечественная площадка, где эксперты обсуждают вопросы стратегии научно-технологического развития отрасли, представляют промышленные и инновационные проекты в сфере микро- и радиоэлектроники, заключают контракты.

Речь о ключевом производственном оборудовании – литографе, являющимся наиболее сложным и дорогостоящим элементом любого микроэлектронного производства. Можно сказать, что литография — это «сердце» производства чипов.
Микроэлектроника это, наверное, одно из самых востребованных и перспективных направлений ближайших лет, а значит это - неотъемлемая часть нашей совместной работы по достижению технологического суверенитета, о важности которого неоднократно говорил Президент,
— подчеркнул вице-премьер России Дмитрий Чернышенко.
Нижегородская делегация презентовала демонстрационный образец установки литографии, которая разработана, изготовлена и установлена в ИПФ РАН в Нижнем Новгороде. Пока это даже не прототип оборудования, скорее, «прототип прототипа».

Демо-версия не может решать реальные промышленные задачи, у нее другая важная функция – она дает ученым возможность удостовериться в реализуемости критически важных технологий и проверить другие ключевые гипотезы, необходимые в дальнейшей работе.

Без этого нерационально было бы приступать к созданию прототипа литографической установки – основной цели нижегородских физиков. Но чтобы понять важность этой разработки и ее суть, необходимо ненадолго погрузиться в доступно изложенную теорию.

Маленькие нюансы

Ни одна страна в мире не обладает полным спектром технологий и необходимых для создания микроэлектроники ресурсов. Отчасти – из-за многообразия сфер ее применения: для космической отрасли необходимы одни решения, для военно-промышленного комплекса – другие, для потребительских рынков – третьи.

И в каждом из этих случаев требуются разные материалы, оборудование, на порядки могут отличаться вычислительные мощности конечных изделий. Все эти нюансы определяют, каким же должен быть так называемый «чип».

Если объяснять на примере обычного компьютера или смартфона, то чип – это главный внутренний элемент процессора размером всего несколько десятков квадратных миллиметров, но состоящий при этом из миллионов и даже миллиардов транзисторов, которые определяют вычислительные способности будущего компьютера.

Производство любого чипа включает сотни технологических операций, в которых задействованы десятки видов оборудования и сотни разных материалов. Один из ключевых этапов производства – литография – когда на кремниевую основу, или иначе - подложку, наносится сложный и невероятно миниатюрный «рисунок», и этот процесс повторяется с одной и той же пластиной десятки раз, образуя сложный «пирог».
Процесс литографии немного напоминает театр теней, когда есть направленный свет, непрозрачная преграда и полотно, на котором появляется получившееся изображение. Так и в литографе есть источник излучения – например, ультрафиолетового или рентгеновского, которое проходит через специальную оптику и специальный трафарет, называемый маской, а затем ее «узор» проецируется на подложку.
Сама подложка предварительно покрывается светочувствительными составами – резистами – которые либо защищают подложку от света, либо наоборот, позволяют «протравить» её, тем самым создавая объемные «канавки» на подложке. После литографии резист удаляется, производятся многочисленные операции по нанесению различных материалов и процесс литографии повторяется до тех пор, пока на подложке не будет сформирована сложная архитектура связанных между собой транзисторов и других элементов чипа.

Но есть здесь и существенное отличие от театра теней, где контуры силуэтов получаются достаточно четкими. Любой свет (излучение) имеет определенную длину волны. К примеру, человеческий глаз видит в диапазоне 350-750 нанометров, ультрафиолетовое излучение ограничено 100-400 нанометрами. А элементы чипа могут быть размерами менее десятка нанометров. И при облучении подложки получаемая картинка размывается, как плохая фотография. Границы получаются нечеткими, неровными. Это - одна из ключевых проблем создания чипов.
Сейчас в нашей стране в промышленных масштабах могут работать с микроструктурами более 65 нанометров. Для понимания – это в десять с лишним тысяч раз меньше миллиметра. Такие изделия подходят для нужд космической и военной промышленности, элементов силовой электроники, но уже не годятся для современных компьютеров, смартфонов, серверов, искусственного интеллекта.

Лидеры отрасли потребительской микроэлектроники вплотную подошли к показателю в 7 нм – в 200 тыс. раз меньше миллиметра. Это близко к теоретическому пределу – дальнейшее уменьшение - до 1-2 нм - уже является не реальным уменьшением размера элементов, которые находятся в одной плоскости, а созданием «слоеного пирога» - транзисторы можно будет расположить только один над другим.

Отставание нашей страны в этом направлении объяснимо - в России оборудование для литографии раньше вообще не производилось. Даже во времена СССР его делали на территории Беларуси.

Несмотря на то, что значительная часть микроэлектроники, в том числе автомобильной, космической, индустриальной производится по нормам 360-65 нм, то есть критических последствий в ближайшее время это отставание не вызовет, в длительной перспективе оно будет создавать все больше ограничений для отечественного приборостроения, развития промышленности и науки.

Демо-версия

Поняв основные моменты, мы можем вернуться к представленной участникам форума разработке.

Нижегородские физики, инженеры и конструкторы остановили свой выбор на рентгеновском источнике излучения. У него есть преимущества перед более распространенной фотолитографией, использующий ультрафиолет. Особенно когда речь идет о работе с участками сверхмалого размера – порядка 14 нм и меньше.

Есть, правда, с ним и дополнительные трудности. Так, рентгеновское излучение требует принципиально иной, совершенной оптики. Поверхность ее элементов должна быть гладкой до атома. Без преувеличения: допустимая шероховатости не может превышать 1 Ангстрема – это одна десятимиллионная доля миллиметра.

Еще одна сложность – сам источник излучения. Он должен быть одновременно мощным и очень «точным»: излучать строго ту длину волны, которая нужна для работы - до сотых нанометра. К тому же, источник излучения не должен загрязнять зону, где идут рабочие процессы.

Эти критические задачи и нужно было решить на этапе создания демонстратора. И здесь отечественные разработчики пошли своим собственным уникальным путем.