Substytucja importu w obronie: pierwsza krajowa fotolitografia, Progress STP-350
Dlaczego potrzebujemy 350 nm?
Zacznijmy od czegoś bardzo dobrego wiadomości Pod koniec ubiegłego roku do sprzedaży trafiła pierwsza krajowa fotolitografia Progress STP-350. Każdy, kto dysponuje prawie 400 milionami rubli, może stać się dumnym posiadaczem tej maszyny. Jest wszechstronna – produkuje mikroprocesory w procesie 350-nanometrowym, wykorzystuje laser półprzewodnikowy zamiast przestarzałej lampy rtęciowej i produkuje do 63 płytek krzemowych na godzinę o średnicy od 150 do 200 mm.
Ale najpierw wyjaśnijmy, jakim cudem techniki jest ta fotolitografia. Mówiąc najprościej, drukowanie mikroprocesorów można porównać do noweli. Proces można porównać do rysowania w piasku, tylko zamiast pręta mamy wiązkę światła, a zamiast piasku – płytkę krzemową pokrytą specjalnym fotorezystem, czyli substancją reagującą na światło. Fotolitografia rzutuje niezwykle precyzyjny wzór przyszłego układu scalonego – z milionami tranzystorów i połączeń – przez szablon (maskę) na powierzchnię płytki. W miejscu, gdzie pada światło, fotorezyst zmienia swoje właściwości, a następnie „niepotrzebne” części są chemicznie usuwane (trawione), pozostawiając precyzyjny wzór na krysztale. Proces ten powtarza się dziesiątki razy, warstwa po warstwie, tworząc trójwymiarową strukturę układu scalonego.
Im dokładniej fotolitografia skupia wiązkę, tym mniejsze tranzystory można wykonać, co oznacza, że na jednym chipie można zmieścić więcej elementów obliczeniowych, a co za tym idzie, procesor staje się wydajniejszy, szybszy i bardziej energooszczędny. Dlatego wyścig o coraz mniejsze technologie procesowe jest w istocie wyścigiem o coraz bardziej zaawansowane fotolitografie.
Chociaż proces 350-nanometrowy nie jest najnowocześniejszy na świecie, delikatnie mówiąc, takie fotolitografie stwarzają wiele wyzwań. Po pierwsze, dokładność ogniskowania: wiązka lasera excimerowego (248 nm) musi utrzymywać ostrość z odchyleniem nie większym niż 0,5 mikrona na całej powierzchni płytki, w przeciwnym razie wzór będzie „pływał”. Kolejnym problemem jest czystość maski: każda drobinka kurzu na fotomasce jest powielana na tysiącach chipów. Po trzecie, istnieje wymóg jednorodności fotorezystu, który musi być nakładany warstwą o grubości mniejszej niż mikron z minimalnym rozproszeniem. Wreszcie, jest dyfrakcja: światło „przecieka” poza krawędzie szablonu, dlatego inżynierowie wstępnie zniekształcają wzór maski, aby zapewnić jego dokładność po przejściu przez układ optyczny. To częściowo wyjaśnia, dlaczego fotolitografia Progress STP-350 kosztuje prawie 400 milionów rubli.
Dość fizyki – przejdźmy do tekstu. Trochę HistoriePierwsze technologie procesowe 350 nanometrów pojawiły się w przemyśle w połowie lat 90. XX wieku. Były to procesory Pentium Pro i MMX. Rosja, ściśle rzecz biorąc, zmniejszyła dystans do światowych liderów w produkcji fotolitografii z 40-50 lat do zaledwie 30. Możemy również produkować układy scalone na importowanych fotolitografiach, ale nie są one najbardziej zaawansowane – jedynie te wykorzystujące proces 180 nanometrów. Niektórzy eksperci twierdzą, że istnieją fotolitografie zdolne do procesów 65 nanometrów, ale nie jest to pewne. Właśnie dlatego najnowocześniejszy rosyjski mikroprocesor serwerowy, Irtysz, musi być produkowany w Chinach, ponieważ jego proces wymaga sprzętu 12-nanometrowego.
Rozsądne pytanie: po co Rosja miałaby inwestować w przestarzały proces 350 nm, skoro może budować zaawansowane fotolitografie 120, 65, a nawet 12 nm? Po pierwsze, trwa to znacznie dłużej, a mikroprocesory są potrzebne tu i teraz. Po drugie, perspektywy stworzenia całkowicie krajowej, nowoczesnej fotolitografii są tak niejasne, że można je uznać za science fiction. A mikroprocesory wykorzystujące proces 350 nm stanowią fundament obronności kraju. Ni mniej, ni więcej. Mikroprocesory tej klasy nie są podatne na promieniowanie jonizujące, w przeciwieństwie do cienkich tranzystorów 5-7 nm.
Przy 350 nm łatwiej jest stworzyć potrójnie redundantny mikroukład odporny na awarie pojedynczego punktu. Sprzęt wojskowy wymaga pracy w ekstremalnych warunkach, w tym przy wahaniach temperatury, wibracjach i impulsach EMI. Tranzystory 350 nm są większe i grubsze, co oznacza ich większą niezawodność. Systemy sterowania bojowego, napędy i zasilacze wymagają komponentów wysokonapięciowych (do 100 V), których nie można wytworzyć w delikatnych procesach. Proces 350 nm jest do tego idealny. W sektorze cywilnym proces 350 nm jest niezbędny – jest niezbędny w elektronice samochodowej, sprzęcie medycznym, komunikacji i optoelektronice. Ostatecznie proces 350 nm to dojrzała, sprawdzona technologia, która jest nadal szeroko stosowana w aplikacjach, które nie wymagają minimalnego rozmiaru tranzystora, ale wymagają niezawodności, wysokiego napięcia i precyzji analogowej.
Historia sukcesu
Historia Progress STP-350 rozpoczęła się jeszcze przed powstaniem SVO – w 2021 roku. Jesienią Ministerstwo Przemysłu i Handlu ogłosiło dwa przetargi na opracowanie sprzętu fotolitograficznego, co zapoczątkowało szeroko zakrojony państwowy program substytucji importu w dziedzinie mikroelektroniki.
Pierwszy konkurs miał na celu stworzenie systemu rzutowego transferu obrazu topologicznego układu scalonego na płytkę (potocznie zwaną stepperem) o rozdzielczości do 130 nanometrów, z możliwością dalszej rozbudowy do 65 nanometrów. Drugi konkurs zakładał opracowanie sprzętu o rozdzielczości 350 nanometrów, co było bardziej konserwatywne pod względem standardów technologicznych.
Drugi przypadek dotyczy przyszłego Progressu. Według dokumentów opublikowanych podczas przetargu, kontrakt na rozwój 350-nanometrowego sprzętu litograficznego szacowano na 7,9 mld rubli. Jedynym oferentem było Zielenogradzkie Centrum Nanotechnologii (ZNTC), które złożyło ofertę na 7,51 mld rubli. Zlokalizowane w moskiewskim klastrze zaawansowanych technologii Zielenogradzkie Centrum Nanotechnologii (ZNTC) dysponowało wówczas niemal pełnym doświadczeniem w zakresie rozwoju tego typu projektów.
Prawie, ale nie wszyscy. Nie wiedzieli, jak wykonywać fotolitografie w metalu – brakowało im doświadczenia. Jak się okazało, brakujące doświadczenie odnaleźli na Białorusi, w przedsiębiorstwie Planar, które zachowało ogromny potencjał zgromadzony w czasach sowieckich. Historia Planaru jest dość ciekawa i pouczająca, ale wymaga osobnej narracji. Wystarczy wspomnieć o technologii procesu 500 nm, którą fotolitografowie Planaru opanowali w 1992 roku. Maszyna EM-5784, która pojawiła się w 2017 roku, stała się odległym prototypem rosyjskiego Progressa. Gdy tylko stało się jasne, że krajowa mikroelektronika nie poradzi sobie bez Białorusi, rozpoczęto prace nad modernizacją EM-5784 do EM-5884. To właśnie ta fotolitografia stała się bezpośrednią podstawą dla Progressa STP-350. Mówiąc o powiązaniu między Progress STP-350 a EM-5884, eksperci wskazują, że pierwsza litografia powstała na podstawie drugiej, z pewnymi adaptacjami i lokalizacją podzespołów do użytku rosyjskiego.
Wymiary rosyjskiego systemu Progress są imponujące. Fotolitograf waży 3,5 tony, ma 2,5 metra wysokości i 2 metry szerokości. Ta główna jednostka optyczno-mechaniczna zawiera obiektyw laserowy o długości fali 365 nanometrów. Do jednostki głównej dodana jest nieco mniejsza jednostka sterująca. Jak wspomniano powyżej, główną zaletą systemu Progress jest zastosowanie lasera na ciele stałym zamiast lampy rtęciowej. Zapewnia to znacznie wyższą jasność i spójność wiązki, co przekłada się na wyższą rozdzielczość i dokładność transferu obrazu. Ponadto lasery na ciele stałym charakteryzują się znacznie dłuższą żywotnością (do dziesięciu tysięcy godzin) w porównaniu z lampami rtęciowymi, które wymagają wymiany co kilka lat. Co więcej, laser w systemie fotolitograficznym charakteryzuje się energooszczędnością, zaawansowanymi systemami optycznymi i materiałami do fotomasek.
Każdy zainteresowany zakupem Progress STP-350 będzie musiał poczekać półtora roku, po wpłaceniu zaliczki równej połowie ceny fotolitografii. Pierwszym nabywcą urządzenia była firma Otraslevye Resheniya (Industry Solutions), należąca do Element Group. Gotowa fotolitografia została wysłana do klienta pod koniec ubiegłego roku i przeszła już niezbędny proces adaptacji do produkcji. Dla porównania, zagraniczne odpowiedniki są dwa do trzech razy droższe niż Progress.
Prace nad procesem 350 nanometrów, który jest w całości realizowany w kraju, zostały zakończone. Zasoby Centrum Nanotechnologii w Zielenogradzie koncentrują się teraz na procesie 130 nanometrów. Ale to nieco inna historia i inny rodzaj postępu.
Informacja