Rosyjski fotolitograf - niemożliwe jest możliwe
Fotolitografia ASML. źródło: arscomp.ru
Nie ma gdzie przesunąć się w prawo
Po co Rosji własna fotolitografia i co ona może zrobić?
Warto zacząć trochę dalej. Zdaniem wielu w XXI wieku oznaką rozwoju państwa jest zdolność do wytwarzania produktów high-tech. Na przykład smartfony lub laptopy. Ściśle mówiąc, Rosja w pełni spełnia te kwalifikacje - kraj ten produkuje dość konkurencyjny sprzęt. Tutaj Bitblaze Titan to domowy laptop lub YotaPhone 2 to domowy smartfon. Laptop jest również zbudowany wokół rosyjskiego ośmiordzeniowego procesora Baikal-M. Wydawałoby się, że powód do dumy jest gotowy - zapraszamy wszystkich do świętowania. Ale tutaj zaczynają się niuanse.
Zarówno smartfon, jak i laptop to tylko efekt kompilacji importowanych komponentów i dopracowania całej orkiestry technicznej. Praca nie jest łatwa i wymaga wysokiej jakości mózgów, ale ma wiele słabych punktów. Przede wszystkim uzależnienie od dostawców. Słynny Bajkał-M jest domowy tylko w designie. I tutaj nie wszystko jest całkowicie rosyjskie - rdzeń procesora pochodzi z brytyjskiego biura ARM. Produkcja produktu od A do Z zorganizowana została w zakładach tajwańskiego giganta TSMC.
Podobnie procesor do smartfonów „Skif” jest produkowany z Zelenograd SPC „Elvis” - „Electronic Computing and Information Systems”. Dokładniej, zostało zrobione: tajwański producent odmówił wszystkim rosyjskim programistom.
Kryształ krzemu po fotolitografii. Źródło: domoticzfaq.ru
W naszym kraju powstał dobrze rozwinięty przemysł projektowania mikroczipów. Wśród liderów są MCST Elbrus, Baikal Electronics, STC Modul, Syntacore oraz wspomniany SPC Elvis. Ironia polega na tym, że samodzielnie opracowanych chipów Bajkał-M i najbardziej zaawansowanych z linii Elbrus Rosja nie jest w stanie samodzielnie ich wyprodukować. Obecnie najlepsza rosyjska fabryka mikroprocesorów „Mikron” jest gotowa do produkcji produktów z wykorzystaniem technologii 90 nanometrów. W kolejności produkcji pilotażowej możliwe jest również 65 nm. Baikal-M jest przeznaczony do procesu technologicznego 28 nm, a Elbrus-16C jest ogólnie do 16 nm. Czy to tragedia? Nie, nie ma to większego znaczenia dla niezależności technologicznej kraju.
Faktem jest, że procesy techniczne opanowane w Rosji są więcej niż wystarczające zarówno dla przemysłu obronnego, jak i sektora cywilnego. W zakresie od 65 do 180 nm krajowi producenci mogą budować procesory do nowoczesnych obrabiarek, serwerów, sprzętu AGD, motoryzacyjnego czy militarnego. Relatywnie rzecz biorąc, pocisk manewrujący nie potrzebuje chipów w architekturze 5-10 nanometrów. Takie subtelne technologie są wymagane w przypadku smartfonów i innych technologii ubieralnych. Na przykład chipy 5 nm są wbudowane w konsole do gier Sony Playstation. Ale w Rosji nie są one produkowane.
Na pierwszy rzut oka wszystko jest w porządku - są rodzimi i dość wysokiej jakości producenci, deweloperzy też są w porządku, pozostaje tylko dostosować się do wymagań rynku krajowego. Ale jest jedno zastrzeżenie - cały sprzęt produkcyjny jest wyłącznie importowany. Przede wszystkim fotolitografie, krytyczne elementy fabryki mikroprocesorów.
Fotolitografie to dla nas wszystko
Jeśli spojrzeć na jakąkolwiek rosyjską produkcję mikroprocesorową, czy to Mikron, Milander, Module czy Elvis, wszędzie można znaleźć holenderskie (ASML) lub japońskie (Nikon, Canon) fotolitografie. Oczywiście teraz nawet części zamienne do tego sprzętu nie mogą być oficjalnie dostarczane do Rosji, nie mówiąc już o gotowych maszynach. A samo stworzenie fotolitografii nie jest łatwe. Dokładniej mówiąc, jest to bardzo trudne.
Trochę teorii. Każda maszyna fotolitograficzna jest bardzo podobna do drukarek fotograficznych. Tylko wszystko jest dużo bardziej skomplikowane i droższe. Na przykład zestaw fotomasek do drukowania chipów może kosztować nawet 10 milionów dolarów. Za pomocą tych szablonów emiter ultrafioletu (najczęściej laser) rzutuje obwód na kryształ krzemu pokryty światłoczułą kompozycją - tak wygląda przyszły półfabrykat mikroczipa.
Ta procedura ekspozycji jest powtarzana wiele razy, przeplatana wytrawianiem, domieszkowaniem, suszeniem i osadzaniem. Nowoczesne procesory mogą zawierać 12 lub więcej warstw, składających się z tranzystorów polowych, przewodników i innych komponentów. A to wszystko na obiekcie, 100 tysięcy razy mniej niż grubość ludzkiego włosa. Oczywiście produkcja zorganizowana jest w ultra czystych pomieszczeniach oraz w specjalnych budynkach odizolowanych od zewnętrznych wibracji. Eksperci lubią mówić, że nawet tramwaj przejeżdżający kilka przecznic od fabryki może wpłynąć na dokładność produkcji chipów.
Faktycznym monopolistą wśród producentów fotolitografii jest holenderska firma ASML. Japoński Nikon i Canon robią znacznie mniej doskonałe. Światowe centrum produkcji mikroczipów na tych samych fotolitografiach znajduje się na Tajwanie.
Krajowe projekty własnych fotolitografii pojawiły się 10-12 lat temu, ale wtedy z jakiegoś powodu postanowiono zamrozić ten kierunek. Dopiero teraz rozmrożone. W Zelenogradzkim Centrum Nanotechnologii na zlecenie Ministerstwa Przemysłu i Handlu rozpoczęto opracowywanie maszyny do procesu 130 nm. Według najbardziej ostrożnych szacunków potrwa to do dziesięciu lat. Czym innym jest stworzenie działającego prototypu, a czym innym zapewnienie sprawnego działania już seryjnych produktów.
Drugi projekt koncentruje się na fotolitografii dla procesu technologicznego 350nm. Takie chipy są bardzo poszukiwane, na przykład w przemyśle obronnym. Do niedawna kompleks wojskowo-przemysłowy zarządzał na ogół mikroprocesorami 600 nm, a nawet mikronowymi.
Zakład Mikron w Zelenogradzie. Tutaj powstają najbardziej zaawansowane mikroprocesory w Rosji. Źródło: Zelenograd-info.rf
Problem polega na tym, że Rosja nie jest w stanie w 100 procentach zastąpić wszystkich łańcuchów produkcyjnych i komponentów własnymi surowcami. Nawet jeśli uda ci się stworzyć własną fotolitografię, będziesz musiał stworzyć cały przemysł materiałów eksploatacyjnych i komponentów. Na przykład płynny fotorezyst potrzebny do opracowania „wzoru” na krzemowym chipie jest produkowany przez kilka firm na świecie.
Oczywiście, to wszystko historia będzie działać ze stratą, nie ma mowy o jakichkolwiek relacjach rynkowych. Państwo będzie musiało dotować zarówno produkcję mikroczipów, jak i montaż przyszłych fotolitografii. Większość produktów trafi do agencji rządowych, ponieważ praktycznie nie ma szerokiego rynku dla krajowej technologii mikroprocesorowej.
Rosja potrzebuje własnej fotolitografii nie pod koniec obecnego tysiąclecia, ale za dwa, trzy lata. Zasoby importowanego sprzętu wkrótce się wyczerpią, a cały przemysł mikroelektroniczny po prostu się zatrzyma. Oczywiście można kupić coś od Chińczyków, ale nawet oni nie dostarczą Rosji swoich najnowocześniejszych rozwiązań. Co więcej, nie wszystko jest w porządku z rozwojem maszyn mikroprocesorowych u naszych sąsiadów.
Pekin od dawna jest objęty sankcjami „fotolitograficznymi” i nie jest jeszcze w stanie samodzielnie wytwarzać produktów mniejszych niż proces technologiczny 45 nanometrów. Dobrym przykładem jest Huawei, któremu Trump zabronił w 2018 roku składania zamówień na mikroczipy w tajwańskim TSML. W rezultacie stagnacja i utrata rynku w stosunku do odnoszących większe sukcesy konkurentów. Nie wiadomo, czy Huawei będzie w stanie wyjść z dołka, ale firma opatentowała już fotolitografię dla technologii procesu 10 nanometrów. Jednak od patentu do gotowej próbki mogą upłynąć lata.
Holenderski ASML opracowuje przełomowe fotolitografie w ekstremalnym ultrafiolecie (EUV) od co najmniej dwudziestu lat, umożliwiając drukowanie chipów przy użyciu technologii 5-nanometrowych, a nawet niższych. A taki projekt kosztował około 20 miliardów dolarów.
Oto fotolitografia wymachiwana w Rosatomie. Mowa o projekcie Narodowego Centrum Fizyki i Matematyki w Sarowie, utworzonym dekretem prezydenckim.
Fotolitografia EUV z ASML. źródło: ravenfile.com
Trochę więcej teorii. Po co w ogóle tworzyć EUV?
Chodzi o długość fali ultrafioletu stosowanego w konwencjonalnych fotolitografiach - około 120-140 nanometrów. Prawa fizyczne nie pozwalają, nawet przy użyciu wszystkich możliwych sztuczek, na tworzenie chipów topologicznych poniżej 40–65 nm. ASML postanowił radykalnie zredukować operacyjną długość fali promieniowania do 13,5 nm, czyli faktycznie zeszli do miękkich promieni rentgenowskich. Aby nikogo nie przestraszyć, technologii nadano nazwę „ekstremalny ultrafiolet”.
Na papierze wszystko jest proste - mniejsza długość fali, mniejsza rozdzielczość. Drukuj chipy do 2 nm. Główne trudności wiążą się z samym promieniowaniem – fale rentgenowskie o długości 13,5 nm pochłaniają wszystko, od powietrza po soczewki. Optykę zastąpiono systemem najnowocześniejszych luster, które na świecie może wykonać tylko niemiecki Carl Zeiss. Krótko mówiąc, chropowatość każdego takiego produktu nie powinna przekraczać 1 nm. Oczywiście fotolitografia jest możliwa tylko w warunkach wysokiej próżni, co stwarza dodatkowe trudności zarówno dla deweloperów, jak i technologów. Samo promieniowanie powstaje po zbombardowaniu przez potężny laser kropli cyny, która zamienia się w plazmę generującą pożądaną falę 13,5 nm.
Ogólnie rzecz biorąc, projekt domowej fotolitografii EUV jest porównywalny pod względem złożoności do programu kosmicznego. To prawdziwe wyzwanie zarówno dla rosyjskiego przemysłu, jak i organizacji naukowych. Według akademika Rosyjskiej Akademii Nauk Aleksandra Siergiejewa, w Instytucie Fizyki Mikrostruktur prowadzone są krajowe prace nad lustrami rentgenowskimi, a Rosatom jest gotowy dostarczyć wielokilowatowe lasery.
Równolegle w Instytucie Fizyki Stosowanej powstał „prototyp prototypu” fotolitografii umożliwiającej tworzenie chipów w technologii 7-nanometrowej. Ale, powtarzamy, od stworzenia prototypu do produktu seryjnego mogą upłynąć lata, jeśli nie dekady.
Narodowe Centrum Fizyki i Matematyki w Sarowie. Źródło: atomic-energy.ru
Jeszcze bardziej rewolucyjny jest projekt bezmaskowej nanolitografii rentgenowskiej, który jest rozwijany w Narodowym Centrum Badawczym „Instytut Kurczatowa” i Moskiewskim Instytucie Technologii Elektronicznej. Gotowy jest już prototyp, którego testy rozpoczną się w latach 2026-2027.
Dobre Aktualności a prognozy dotyczące perspektyw pierwszej rodzimej fotolitografii są nadal więcej niż złe. Ale nasza branża ostatnio ma zwyczaj przesuwać czas tworzenia gotowych produktów mocno w prawo. Dotyczy to w szczególności lotnictwo, motoryzacyjnym i innych krytycznych branżach. Czy mikroelektronika znajdzie się na tej smutnej liście, czas pokaże.
informacja