Синхротрон обеспечит суверенитет в микроэлектронике

Политолог, публицист Александр Механик – о возможности использования синхротрона для производства микрочипов.

На прошлой неделе в городе Хэфэй провинции Аньхой на востоке Китая началось строительство установки синхротронного излучения четвертого поколения, предназначенного для решения задач микроэлектроники. Как сообщают китайские СМИ, установка должна быть сдана в эксплуатацию в 2027 году. Это уже не первый синхротрон в Китае. Первую установку Китай построил в Пекине для Института физики высоких энергий еще в 1991 году и отработал на ней разнообразные приемы использования синхротронного излучения, в том числе для фотолитографии. Мнения экспертов о том, стоит ли ждать прорыва, расходятся.

EUV или синхротрон?

Цель фотолитографии в микроэлектронике — формирование заданного изображения на кремниевой подложке для получения необходимой топологии микросхемы. Для этого на кремниевую подложку наносят тонкий слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На этот слой наносится светочувствительный материал — фоторезист, который подвергается облучению через оптическую систему специальной машины — фотолитографа — и фотошаблон (маску). После последующей обработки фоторезиста на пластине остается заданный рисунок. Чем меньше длина волны излучения, тем меньше размеры получаемых элементов рисунка. В процессе изготовления микросхем операция фотолитографии на одной пластине повторяется многократно, и каждое новое изображение должно очень точно совмещаться с предыдущим.

Существует несколько типов фотолитографии. До последнего времени в производстве микроэлектроники использовалась проекционная фотолитография с источником света в ближней ультрафиолетовой области спектра. Такого типа проекционная фотолитография позволяет достичь проектных норм до 10 нм.

Следующее поколение фотолитографов основано на использовании источников излучения на длине волны 13,5 нм. Это так называемые EUV-установки — extreme ultraviolet lithography, экстремальная ультрафиолетовая литография (или рентгеновская). В настоящее время на них получены проектные нормы до 3 нм, а ставится задача достижения 2 нм. Производство таких установок осуществляет в мире пока только одна компания — голландская ASMLithography.

Одним из сложнейших элементов такой установки является источник излучения. В установках компании ASML используются источники излучения на парах олова, разработанные с участием российских ученых из Института спектроскопии РАН. В таком источнике излучение возникает из плазмы, образующейся в процессе испарения капли олова под воздействием луча лазера.

Но еще с 1990-х годов делаются попытки использовать в таких установках синхротронное излучение — это разновидность рентгеновского излучения с длиной волны от долей ангстрема до инфракрасного излучения, что, собственно, и позволяет использовать его для рентгеновской литографии. Синхротронное излучение возникает в синхротронах (от «синхронизация + электрон») — ускорителях электронов, когда заряженные частицы ускоряются по искривленной траектории или орбите.

Китайский путь 

Из публикаций в СМИ известно, что руководство КНР поставило перед китайскими учеными и специалистами задачу создать собственную EUV-литографическую машину к концу этого десятилетия. И они ведут свои разработки в нескольких направлениях. Одни пытаются повторить достижения ASML. Другие — использовать для этих целей синхротронное излучение.

Как отмечают специалисты, для формирования EUV-излучения необходимой мощности китайцам потребуется построить кольцо ускорителя длиной от 100 до 150 м (не говоря о вспомогательных установках и строениях). Его мощности хватит для производства чипов с технологическими нормами до 2 нм. Компания ASML сейчас массово производит передовые литографические EUV-сканеры, позволяющие выпускать 3-нм чипы. И для достижения 2 нм ей также предстоит разработать более мощные источники EUV-света, которые по сложности не так уж далеко отстоят от китайских проектов EUV-«пушки».

Но для обычной коммерческой компании, такой как ASML, проект синхротрона как источника EUV-света вряд ли подходит. Его не продашь как установку, а заработать на технологии столько, сколько на продажах установок ценой до 300 млн долларов, не получится. Другое дело, что в Китае, где ресурсов и рабочей силы в избытке, построить завод с таким ускорителем особого труда не составит. Хотя не ясно, насколько это решение рационально.

Кроме того, надо понимать, что синхротрон — это только альтернативный источник света для литографии, необходимо еще создать соответствующие резисты, фотошаблоны и специальную оптику для управления излучением и фокусировки света, и это не менее сложная задача, чем разработка источника излучения. Вот почему для создания надежной системы массового производства чипов на нанометровом уровне Китаю потребуется еще много лет.

Синхротрон пока не панацея

В России разработки фотолитографа ведутся уже много лет, причем тоже в обоих направлениях. В Нижнем Новгороде в НИИ прикладной физики (НИИПФ) идут по пути, проложенному ASML. Более того, многие разработки нашего института используются ASML. А в Зеленограде в Центре коллективного пользования «Микросистемная техника и электронная компонентная база» (ЦКП «МСТ и ЭКБ») при МИЭТе предполагается использовать построенный еще в советское время синхротрон Научно-исследовательского института физических проблем им. Ф. В. Лукина, ранее входившего в состав зеленоградского Научного центра. Уже тогда предполагалось вести на нем работы по фотолитографии. Однако в советское время запустить его не успели. Ныне этот синхротрон входит в состав Курчатовского института. По предложению президента Курчатовского института Михаила Ковальчука на базе этого синхротрона создается Центр новых технологий, одно из предназначений которого — решение задач рентгенолитографии. Однако до сих пор синхротрон так и не запущен.

Мы обратились к руководителям соответствующих разработок в каждом из центров (в ЦКП «МСТ и ЭКБ» — к его директору, кандидату физико-математических наук Николаю Дюжеву, в НИИПФ — к доктору физико-математических наук, заведующему отделом Николаю Чхало) с просьбой прокомментировать сообщения из Китая.

По мнению Николая Дюжева, выбор технологии в каждой стране предопределяется уже накопленным опытом и возможностями компаний и страны. «На ASML, можно сказать, работал весь западный мир, поэтому не случайно, кроме этой компании, больше никто не производит такие установки. А остальные страны, если их не допускают до разработок ASML, вынуждены пользоваться тем, что у них есть. У Китая есть опыт работы на синхротроне, и поэтому он работает в этом направлении, не оставляя работ над EUV-литографом. Собственно, как и мы в России».

У Николая Чхало более критический взгляд на это направление развития фотолитографии. «Попытки использования синхротронов в целях фотолитографии были и в США, и в Японии, — сказал он. — На них отрабатывались проекционные схемы, оптика, резисторы, но и там, и там никто не имел в виду организовывать на них производство, потому что это очень дорого и ненадежно. Да, вокруг синхротрона можно поставить сразу несколько литографов, но с ним постоянно что-то происходит. И все литографы встают».

Нам же пока остается наблюдать за результатами китайских усилий и рассчитывать, что многолетний труд наших ученых будет серьезно поддержан государством, чтобы обеспечить технологический суверенитет в этой важнейшей области.

Ранее опубликовано на: https://stimul.online/articles/innovatsii/sinkhrotronom-po-gollandskoy-monopolii/