Тридцать лет за пятилетку

Россия находится в критической зависимости от поставок микроэлектроники. Развитие собственного производства невозможно без освоения технологии изготовления рентгеновских литографов. Эту задачу стране предстоит решить в ближайшие пять-семь лет. Насколько это реалистично?

После начала попыток тотальной изоляции России микроэлектроника оказалась, в наиболее сложном положении – в других критически важных отраслях импортозамещение проходит существенно быстрее. Это связано с особенной сложностью процесса производства оборудования для микроэлектроники и традиционным отставанием в этой сфере ещё со времён СССР. Даже в разработке и внедрении в производство авиационных и ракетных двигателей, являющиеся сравнимо сложными изделиями, страна продвигается существенно быстрее, поскольку по авиадвигателям отставание СССР было не столь значительным, а в ракетных – наша страна даже и лидировала.

Ключевыми, наиболее сложными и самыми дорогими для производства элементами микроэлектроники являются рентгеновские литографы. Технология рентгеновской литографии разрабатывалась «всем миром» с начала 1990-х, а воплотилась в коммерческих машинах для серийного производства лишь в самом конце 2010-х. То есть, мир потратил на их разработку 30 лет. Для обретения технологической независимости Россия обязана освоить их самостоятельное производство в пять-семь лет. Возможно ли это?

Специалисты считают эту задачу решаемой.

Каковы возможности ускорения разработки?

Во-первых, когда в 90-х разработки только начинались, пришлось потратить массу времени и сил на научно-исследовательские работы, пробуя различные варианты, в том числе, и тупиковые и разрабатывая сопутствующие технологии, часть из которых оказалась ненужными. Сегодня в России уже имеется большинство нужных для построения рентгеновского литографа технологий, некоторые из которых появились благодаря участию ИФМ РАН в совместной работе с мировым лидером – нидерландской компанией ASML. А оставшиеся достаточно просто скопировать. Повторить то, что уже сделано, в современном мире намного легче.

Во-вторых, когда какая-то технология вдруг давала нужный результат, её начинали дорабатывать вне зависимости от того, насколько она оказывалась удачной. Это касается, например, установки рентгеновского излучения на основе олова с длиной волны 13,5 нм. Как выяснилось впоследствии, выбор был не очень удачным, но на нём в дальнейшем строилось всё остальное. Когда вложились во что-то одно, менять это на что-то другое уже очень непросто. Но такой излучатель имеет массу проблем. Начиная разработку с ноля, можно избежать выявленных недостатков первопроходцев.

В российском 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, дешевле и намного «чище» оловянного. Помимо этого, лазер, использующийся для работы рентгеновского излучателя, требуется на порядок меньшей мощности.

В-третьих, рентгеновские литографы ASML разрабатывались с расчётом на ту же производительность, на которую ранее разрабатывались DUV-литографы (с источником излучения глубокого ультрафиолета), поскольку фабрики должны были обеспечить потребности всего мира. Но это загнало мирового лидера производства литографов ASML в очень тяжёлое положение: столь высокую производительность можно было сохранить только сильным удорожанием важнейших компонентов литографа и повышенной стоимостью его дальнейшего обслуживания из-за частых замен износившихся или загрязнённых дорогостоящих расходников.

Российские специалисты считают, что спустя 30 лет – на этапе сегодняшнего технологического развития – можно построить тот же самый рентгеновский литограф меньшей производительности (до 100 пластин в час), силами одной только России не за 30, а всего за пять-семь лет. Цена такого оборудования будет кратно дешевле, при этом себестоимость изготавливаемых на нём пластин окажется даже ниже.

На каком этапе российские разработчики находятся сейчас?

По словам замглавы Минпромторга Василия Шпака, производство российского литографа для топологии 350 нанометров начнется уже в нынешнем 2024 году, а оборудование для выпуска чипов с топологией 130 нанометров – в 2026 году. Соответственно, серийное производство машин для топологии 350 нанометров намечено на середину 2025-го года, а сформировать полноценные производственные линии станет возможно уже в 2026 году. То же самое и относительно литографов на 130 нм. В 2026 году закончится ОКР, производить их начнут в 2027-м, а полноценные линии заработают в 2028 году.

Техпроцессы 350 и 130 нм часто называют устаревшими, подразумевая, что самые последние из освоенных техпроцессов приближаются к 2 нм. Такое определение было бы корректно, если бы по нормам 350 и 130 нм уже ничего нигде не выпускалось. Однако это довольно ходовые в мире современные нормы для производства микросхем, которым не требуется высокая экономичность и производительность. Поэтому такие техпроцессы корректнее называть не устаревшими, а грубыми или толстыми.

А какие техпроцессы нам реально нужны?Техпроцессы от 45 нанометров и тоньше используются в мире преимущественно для процессоров и памяти – это примерно 10-15% рынка в денежном и количественном выражении. Вся остальная микроэлектроника, а это микроконтроллеры, силовая электроника, телекоммуникационные схемы, автомобильная электроника, как и многое другое, исходя из требований технологии и экономики, производится в диапазоне топологических размеров 350-65 нанометров. И будет производиться по этим нормам еще лет десять, а это примерно 60% рынка.

Не обязательно быть абсолютным лидером, чтобы оставаться страной, способной принимать суверенные решения. Для этого достаточно иметь весь стек технологий в данной сфере, а уж по каким нормам делать процессоры для серверов, ракет и спутников, 28 нм или 2 нм – это уже дело второстепенное. Несомненно, влияющее на технические характеристики конечных изделий, но второстепенное.

Таким образом, России нужно решить всего лишь половину проблемы, которую решал в своё время для себя СССР – обеспечить производство процессоров для нужд инфраструктуры государства. Вторую половину – обеспечить процессорами гражданский рынок – России решать не нужно, поскольку тут угрозы даже не просматривается. А войти в пятёрку технологических лидеров вполне реально, если обратить внимание на то, кто имеет компетенции производства литографов, использующихся для организации техпроцессов тоньше 28 нм. А это всего три страны: Нидерланды, Япония и (с недавних пор) Китай. При этом надо понимать, что на эти страны работают высокотехнологичные компании и наука многих других стран. ASML производит только 15% компонентов своих передовых литографов самостоятельно. Например, оптику и источники излучения для литографов ASML делает Германия. Большинство патентов использованы из США. В некоторых случаях ASML напрямую приобретает своих поставщиков, что дает ей больший контроль над цепочкой поставок.

Ещё один немаловажный фактор – Россия параллельно с DUV-литографами (для эволюционных техпроцессов 350 нм и 180 нм) разрабатывает и EUV-литограф (сразу для техпроцесса 28 нм), который не так далёк от реализации благодаря уже пути, пройденному ранее наукой (в том числе, внезапно, и российской). Работы по НИОКРу над этим проектом сейчас финансирует Росатом.

Помимо литографов в производственных линиях необходимо ещё около двухсот единиц другого самого разнообразного оборудования. Это и установки травления и осаждения, центрифуги для нанесения резиста, аппараты для ионной имплантации, машины для тестирования поверхности пластин, микроскопы и другое оборудование; чистая химия, а именно, сам фоторезист нужной степени чистоты, азот, неон, гелий, водород (для EUV-литографии), углекислый газ и т.п. Также, конечно, нужны пластины из монокристаллического кремния.

Работы по всему вышеперечисленному проводятся как в направлении собственной разработки (идут соответствующие НИОКРы), так и в направлении поиска возможного импорта, поскольку не всё удастся разработать быстро, а многое нужно уже сейчас.

К 2026-му году должны окончиться ОКР и на фоторезисты для топологических норм 350 и 130 нм. Примерно к тому же времени должны завершиться ОКРы на установки осаждения и другое оборудование и материалы. Таким образом, работы ведутся по всем фронтам. Путь, который мир прошёл за 30 лет, мы пройдём в разы быстрее.