Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров?⁠⁠

Обсудить на форуме - Помощь проекту

Производство самой передовой электроники с топологическими нормами меньше 5 нм сегодня возможно только на оборудовании голландской компании «ASML».

«ASML» — единственная в мире компания, владеющая системами и технологиями, которые способны давать излучение с длиной волны в 13,5 нм (EUV), пригодное для фотолитографии.

EUV-литография в настоящее время является полностью уникальной технологией. Другие компании также производят системы для литографии, но именно «ASML» лидирует в полупроводниковой индустрии.

Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост

TWINSCAN NXE: 3600D — это система литографии последнего поколения, поддерживающая объёмное производство топологических элементов 5 и 3 нм.

Разработка нового литографического оборудования на основе технологии сверхжёсткого ультрафиолетового излучения началась в 1994 году. За 17 лет «ASML» инвестировала более 6 миллиардов евро в исследования и разработку EUV.

В августе 2006 года первый в мире демонстрационный инструмент для EUV-литографии был отправлен в колледж наноразмерных наук и инженерии в Олбани (США) и в IMEC в Левене (Бельгия).

В 2010 году была представлена первая в мире предсерийная система EUV — «TWINSCAN NXE: 3100».

В 2013 году начались первые серийные поставки «TWINSCAN NXE: 3300».

Как только стало окончательно понятно, что новая литографическая технология станет самой совершенной и недосягаемой ни для кого более в мире, в компанию стали инвестировать миллиарды долларов такие крупные производители, как Intel, Samsung и TSMC.

На сегодня больше нет каких-либо серьёзных разработок аналогов технологии EUV, которые могли бы в будущем конкурировать с продуктами компании «ASML».

Литографическое оборудование – это самый важный элемент в создании передовых топологических норм, и без него дальнейшее развитие микроэлектроники невозможно.

Приобрести данные машины можно только с разрешения правительства Нидерландов, которые, в свою очередь, учитывают позицию США. Так, в Россию даже до введения санкций поставка передовых литографов была негласно запрещена, а с 2014 года вообще стала невозможной..

Под давлением США с 2019 года была запрещена продажа передового литографического оборудования Китаю.
По сути, EUV-системы могут закупать только избранные страны и компании, коими являются лидеры отрасли микроэлектроники — Intel, Samsung и TSMC.

К чему всё это? От начала разработок до серийной системы прошло 19 лет, и были потрачены миллиарды долларов инвестиций.

Недавно стала известна новость, что в России разрабатывают аналог технологии EUV — отечественный литограф с длиной волны менее 13,5 нм.

Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост

EUV означает ‘экстремальный ультрафиолет’. Это относится к длине волны света. Свет глубокого ультрафиолетового излучения (DUV), используемый в производстве чипов, имеет длину волны 248 и 193 нм, тогда как свет, используемый в EUV-литографии, имеет длину волны 13,5 нм (фиолетовая линия в УФ диапазоне).

Заявлено, что уже создан рабочий образец-демонстратор, способный формировать наноструктуры до 7 нм.

Промышленный образец отечественного литографа на 7 нм планируется создать через шесть лет.

На первом этапе, в 2024 году, будет создана «альфа-машина». Такая установка станет рабочим прототипом, на котором будут отрабатывать полный цикл операций.На втором этапе, с 2026 года, появится «бета-машина». Это будет уже полностью рабочий образец, который будут доводить до промышленного производства и автоматизации всех процессов.

И на третьем этапе, к 2028 году, отечественный литограф получит более мощный источник излучения, а также улучшенные системы позиционирования и подачи, и начнёт полноценную работу.

Как-то странно всё это звучит, особенно в условиях тотального санкционного давления в сфере микроэлектроники и запрета на поставки любого подобного оборудования.

Компании «ASML» для разработки фотолитографов нового поколения понадобилось 19 лет с полной свободой действий и с привлечением инвестиций в десятки миллиардов долларов. А в России желают пройти тот же путь всего за 6 лет и без десятков миллиардов долларов инвестиций?

Этой новостью стали восторгаться многие интернет-издания и профильные ресурсы. Однако каких-либо подробностей представлено не было, что вызвало здоровый скептицизм у некоторых блогеров и различных критиков любых российских технологий.

Вот я и решил разобраться: взброс ли это был, или всё же есть реальные перспективы.В Институте прикладной физики Российской Академии Наук (ИПФ РАН) в Нижнем Новгороде ведётся разработка литографической установки. В 2011 году был построен образец-демонстратор литографа с рабочей длиной волны 13,5 нм. Это был испытательный стенд в рамках проводимых фундаментальных научных исследований.

Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост

Действительно, в 2011 году был создан реально работающий образец.

Технология подтвердила свою работоспособность, что ознаменовало появление в России ключевых технологий, позволяющих разрабатывать и производить литографическое оборудование для диапазона длин волн в окрестности 13,5 нм.

Самое интересное тут то, что подобная длина волны является более подходящей для топологии 14 нм и менее, а использовать такие литографы на больших топологиях – 28 более нм – нецелесообразно из-за сложности и дороговизны оборудования.

То есть тут сразу идёт задел на минимальные размеры – до 1-2 нм.

Стендовый образец явно усовершенствовался, и главным новшеством является получение экстремального ультрафиолетового излучения, что добавляет больше сложностей по сравнению с традиционным ультрафиолетовым диапазоном. Тут требуется совершенная оптика, а сам источник излучения не должен загрязнять зону, где идут рабочие процессы.

Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост

Для генерации экстремального ультрафиолетового излучения (EUV) в установках компании «ASML» используется CO2-лазер, который излучает два отдельных лазерных импульса на быстро движущуюся каплю олова. Это испаряет олово, превращая его в плазму, которая и создаёт свет диапазона EUV. Подобная операция совершается до 50 000 раз в секунду. Затем несколько многослойных зеркал собирают этот свет и перенаправляют его на пластину, уменьшая рисунок в четыре раза. Совершенствуя системы проекционной оптики, удаётся получать всё более совершенную топологию: разрешение было повышено с 7 нм до 3. Идёт разработка новой проекционной оптики для EUV-системы, способной получать топологию в 2 нм.

При этом все эти проблемы нужно было решить уже на этапе создания демонстратора.Но может ли российский институт решить задачи, которые потребовали от нидерландской компании много времени, денег, а также сотрудничества с самыми передовыми компаниями и институтами США в области микроэлектроники?

Если отвечать с наскока, то НЕТ. И больше никто в мире пока не пытается достигнуть схожих результатов, понимая, какие усилия понадобятся для разработки своих аналогов этой системы.

Однако есть только одно условие, при котором это возможно – самые передовые фундаментальные исследования в нужных областях.

Ну, и что там у нас в этом направлении?

Институт прикладной физики Российской Академии Наук для многих, на удивление, является лидером по многим фундаментальным исследованиям, в том числе и в области лазерных и оптических технологий.

Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост

ИПФ РАН. Лазерный комплекс «PEARL».

Например, уникальная научная установка «PEARL» (PEtawatt pARametric Laser) была первым в мире лазерным комплексом петаваттного уровня мощности, основанном на параметрическом усилении фемтосекундных импульсов.

В настоящее время на основе полученного при создании системы «PEARL» опыта в ИПФ РАН строится лазерный комплекс «PEARL-10» мощностью более 5 ПВт. Разработана концепция экзаваттного лазерного комплекса – проект XCELS, включённый в число шести российских проектов класса мегасайенс (крупные дорогостоящие международные научные и исследовательские комплексы), для реализации на территории страны в предстоящее десятилетие.

Появление таких источников открывает новые горизонты для фундаментальных исследований и уникальных технологий.

В 2018 году учёными ИФМ РАН была опубликована работа, в которой были представлены экспериментальные данные по лазерно-плазменному источнику рентгеновского излучения на основе ксенона.

Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост

Научная работа учёных и специалистов ИФМ РАН, рецензируемая и опубликованная на научном американском ресурсе.

В 2018 году учёными ИФМ РАН была опубликована работа, в которой были представлены экспериментальные данные по лазерно-плазменному источнику рентгеновского излучения на основе ксенона.

В работе были наглядно продемонстрированы результаты, полученные нашими учеными в достижении инновационного метода нанолитографии – безмасочной рентгеновской литографии на длине волны 6,7 нм.

Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост

Судя по публикации, были обнаружены два устойчивых режима работы источника.

Вместо расплавленного оловянного источника, применяемого в проекционной литографии компанией «ASML», в российской разработке применяется мишень на основе ксенона. При сравнимой эффективности это существенно упрощает конструкцию источника и лазерную систему, минимизирует загрязнение оптических элементов, уменьшает рабочую длину волны на 20% при работе на длине волны 10,8 нм, и в 2 раза – на длине волны 6,7 нм.

Разумеется, уменьшение длины волны пропорционально повышает разрешающую способность литографа.

В общем, учёные из США сошлись во мнении, что литограф на основе российской разработки будет в 1,5-2 раза эффективнее, чем у компании «ASML».

В арсенале института имеются рентгеновские зеркала, которые успешно там выпускают, лазерно-плазменный источник рентгеновского излучения и сам прототип установки, на которой уже получены первые структуры размером в 7 нм.

Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост

Вот этот самый лазерно-плазменный источник рентгеновского излучения в ИФМ РАН.

То есть рентгеновская литография становится реальностью. Если удастся всё воплотить в срок, то появится первая в мире рентгеновская фотолитографическая установка, работающая в диапазонах волн 10,8 и 6,7 нм с разрешающей способностью до 1 нм.

Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост

Демонстрационный стенд уже сегодня имеет длину волны 11,3 нм, что превосходит показатели компании «ASML». Обратите внимание, что используется оптический элемент, способный фокусировать рентгеновские лучи, а не отражать их, как это сделано в установках компании «ASML». Рентгеновская оптика была разработана совместными усилиями института и корпорации «Росатом».

Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост

Фрагмент рентгеновской линзы.

Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост
Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост

Схема той самой демонстрационной установки, на которой были получены 7 нм структуры, с длинной волны 11,3-10,8 нм. И это было ещё в 2018 году.

Но это только один из путей развития российской технологии фотолитографии. Есть ещё одно направление безмасочной EUV-фотолитографии, а именно использование синхротронного излучения в качестве основного источника в литографическом оборудовании.

И в России в марте 2022 года по заказу Минпромторга преступили к разработке концепции безмасочного рентген-фотолитографа с длиной волны менее 13,5 нм на базе синхротронного источника. На эти работы было выделено 670 миллионов рублей.

Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост

Синхротронное излучение создаётся в синхротронах — накопительных кольцах ускорителей — при движении заряженных частиц.

В работу включены МИЭТ, зеленоградская компания ЭСТО и зеленоградский синхротрон — ныне технологический накопительный комплекс (ТНК) «Зеленоград» НИЦ «Курчатовский институт».

Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост

Упрощённая схема литографа на базе синхротронного излучения.Фотолитография на базе синхротронного излучения должна появиться через 5-10 лет.Примечательно, что синхротронное излучение является следующим этапом развития технологии фотолитографии, благодаря которой можно достигать топологии транзисторов меньше 1 нм. Вот только к фабрике должен быть пристроен ускоритель частиц.

Так как на синхротроне можно достичь устойчивого излучения ещё меньшей длинный волны в рентгеновском диапазоне, то технология будет являться конечной эволюцией в литографическом оборудовании, где производимые наноструктуры будут подведены к теоретическому пределу (менее 1 нм), когда дальнейшее уменьшение будет невозможно.

Дальнейшая технология будет развиваться по пути «слоёного пирога» — транзисторы можно будет расположить только один над другим.А это уже совершенно иной уровень, представляющий собой атомно-микроэлектронную отрасль.

Хотя, чему удивляться, «Росатом» уже занялся разработкой квантовых компьютеров и создал новый дивизион по электронике, куда вошли «АСУТП и электротехника» и АО «Русатом Микроэлектроника».

Сегодня больше 50% всей электроники в мире (в том числе — автомобильной, космической и индустриальной) производится по нормам 360-180-65 нм.

По этим нормам в России создаются собственные литографы, благодаря чему закрывается весь спрос в электронике.

Более подробно об этом написано в статье, в том числе про то, что топология «3 нм» — это просто коммерческое название и данная технология не предполагает само уменьшение геометрии транзистора:

https://dzen.ru/media/dbk/vozrojdenie-rossiiskoi-mikroelektr…
И традиционно от жителя Зеленограда, кем я являюсь, фото первой в России строящейся фабрики для выпуска процессоров по технологии 28 нм и меньше.

Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост

Работы идут без остановки.

Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост

Уже добрались до кровли. Стройка явно идёт с опережением сроков, так как сдача объекта была запланирована на конец 2024 года.

Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост

Злые языки говорили, что стройку законсервируют после введения санкций. Но, как видите, она только ускорилась.

Наступает эра российской микроэлектроники: есть возможность обойти лидеров? Микропроцессор, Электроника, Наука, Изобретения, Техника, Научпоп, НаукаPRO, Исследования, Технологии, Познавательно, Ученые, Длиннопост

А через дорогу от строящейся фабрики возводится общежитие гостиничного типа (1 класса) для проживания высококвалифицированного персонала, который будет работать на фабрике.

В заключении можно сказать следующее: в России будут свои литографы, будет своя фабрика и будут свои процессоры. Иначе не будет России…

Постскриптум.

США ранее ввели санкции против ведущих научных институтов России, в том числе против ИФМ РАН.

автор Кочетов Алексей. https://dzen.ru/dbk