Принципиально новый фотолитограф российской разработки

Фотолитографическая машина — ключевое устройство в производстве микроэлектроники (см. «Для чего нужен фотолитограф» в конце статьи). Сложность и цена такого оборудования непрерывно возрастают. В мире существуют всего две-три компании, способные создавать такие машины для производства самых современных процессоров. Это либо американские компании, либо фактически находящиеся под их контролем. Они тратят на разработку этих машин десятки миллиардов долларов. И фактически контролируют производство процессоров во всем мире. Однако в России нашлись смельчаки, бросившие вызов гигантам мирового электронного машиностроения. В июле мы опубликовали статью «Возродить электронное машиностроение» (см. «Эксперт» № 26 за 2016 год), в которой рассказали о работе российских инженеров, создающих фотолитограф на новых принципах. К сожалению, как это часто бывает, им не поверили на родине, зато поверили в Швейцарии, где команда сейчас и продолжает свою работу. Сегодня мы беседуем с руководителем этой разработки профессором, доктором физико-математических наук Вадимом Раховским.

— Разработкой фотолитографических машин в мире занимаются крупнейшие компании, которые тратят на это многие миллиарды долларов. Как вы решились составить им конкуренцию и почему вообще пришли к фотолитографии?

— В 1992 году, когда российская наука терпела крушение, а способные молодые специалисты стали предпочитать работе над диссертациями работу челноков и ларечников, я и мои сотрудники из ВНИИМС (Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологической службы. — «Эксперт»), где мы все работали, создали, чтобы выжить, свою фирму.

Работа, если появлялся какой-никакой заказчик, была рутинной, а сколько-нибудь интересные исследования для перспективных технологий никому не были нужны. Как легко понять, моим коллегам и мне это совершенно осточертело. Но в это время нам иногда перепадали заказы от еле живых организаций — останков советской электроники. Приходившие к нам разработчики и технологи неизменно жаловались, что их замучили дефекты на фотошаблонах — проекционных масках, возникавшие в процессе их изготовления и эксплуатации. При этом по мере перехода ко все меньшим технологическим нормам требования к размерам и числу допустимых дефектов маски становились все строже и строже. Например, для технологического уровня 90 нанометров отношение общей площади дефектов на поверхности маски к площади ее поверхности составляло 10–11.

Мы стали придумывать разные способы уменьшения дефектности масок, но оказалось, что все решения, которые мы придумываем, каждый раз при переходе на следующий уровень миниатюризации перестают действовать, потому что те дефекты, которые раньше были не важны, становились убивающими — killing defects. А ведь такой дефект маски при каждом экспонировании постоянно воспроизводится на изображениях, ею создаваемых. В конце концов мы поняли, что надо заняться поисками радикального метода устранения влияния дефектов фотошаблонов на качество создаваемого ими изображения.

— Тем более что требуется не одна маска, а целый набор.

— При производстве современных микропроцессоров с помощью проекционной литографии приходится совершать операции фотолитографии более чем 50–60 раз — каждый раз над новым слоем. А переход к технологическим нормам в 32 нанометра и ниже в связи с необходимостью преодоления дифракционного предела* заставил прибегнуть к использованию так называемого мультипаттернинга**, то есть еще большего числа масок и литографических циклов для создания каждого слоя. При этом стоимость комплекта таких масок возрастает практически экспоненциально.

Так, по данным одного из последних обзоров, при переходе от технологического уровня 500 нанометров к технологическому уровню 10 нанометров стоимость проекционной маски для критического слоя возросла с 400 долларов до 700 тысяч долларов, то есть в 1750 раз.

Однако проблемы традиционной проекционной фотолитографии обусловлены не только экспоненциальным ростом стоимости масок, но и чрезвычайной сложностью и дороговизной микрофотолитографа, в первую очередь невероятно сложного и дорогого проекционного объектива. Современные литографические объективы фирмы Carl Zeiss, которая практически монополизировала рынок высокоразрешающих литографических объективов и фактически является их единственным производителем для литографического оборудования хай-энд, имеют высоту до 170 сантиметров, диаметр до 600 миллиметров, содержат около 40 чрезвычайно высококачественных линз и отражающих оптических элементов и весят до 800 килограммов. Для их сборки и юстировки фирма создала специальный комплекс, оснащенный самым современным контрольным оборудованием, создание которого обошлось, по слухам, почти в миллиард долларов. В результате стоимость современных фотолитографов выросла за последние 28 лет в 240 раз и достигает нескольких десятков миллионов долларов. Не случайно в настоящее время только самые крупные компании в мире способны производить микропроцессоры с технологическими нормами меньше 28 нанометров, а разработка новых технологий создания чипов с использованием технологических норм менее 20 нанометров реально доступна сегодня лишь Intel Corp., TSMC и Samsung, ежегодно тратящим на исследования многие миллиарды долларов.



*Дифракционный предел определяет минимальный размер топологического элемента, который может быть получен с помощью оптической системы.

**Суть этой технологической операции заключается в использовании нескольких масок для формирования топологии одного слоя.

— Вряд ли все обошлось без проблем.

— Конечно. Первая проблема, с которой мы столкнулись, состояла в том, что голограммную маску надо было рассчитать. Дело в том, что обычная голограмма возникает в результате интерференции двух световых волн — опорной, идущей непосредственно от лазера, и предметной, провзаимодействовавшей с объектом записи.

В нашем случае у нас нет объекта, голограмму которого мы хотим создать, а нам, зная, какое изображение мы хотим получить, нужно было рассчитать голографическую маску, то есть решить так называемую обратную задачу, а это, как правило, занятие весьма нетривиальное (см. схему 2). На этом пути мы довольно быстро напоролись на большие математические сложности, которые ни я, ни мои коллеги преодолеть не смогли.

Но не имей сто рублей! И у меня их действительно тогда не было, но у меня был друг — профессор Владимир Андреевич Боровиков, один из создателей современной асимптотической теории дифракции, которого я знал с юности и без которого, скорее всего, мы вряд ли продвинулись бы дальше.

Его всегда притягивали задачи, которые, казалось бы, нельзя решить. Просто он чтил Стругацких, один из героев которых, знаменитый маг Кристобаль Хунта, задал сакраментальный вопрос: «А что толку решать задачи, которые имеют решение?!» Поэтому, когда я пришел к Боровикову, мне не пришлось его уговаривать попытаться помочь нам решить возникшую проблему. И он действительно смог предложить исключительно элегантное и красивое решение. И это несмотря на то, что, к великому сожалению, он в это время был уже безнадежно болен.



***Sub-Wavelength Holographic Lithography; SWHL.




Математика как производительная сила



— А что значит «рассчитать голограмму»?

— По сути, это некий способ решения уравнений Максвелла с помощью специально разработанного нами метода. В частности, одна из проблем состоит в том, что в голографии вы получаете три изображения: центральный пучок, первый порядок дифракции, ваш рабочий, и минус первый — паразитный. Необходимо минимизировать влияние центрального и минус первого пучков на изображение, создаваемое с помощью голографической маски. Именно это удалось Боровикову. Оказалось также, что прямой, что называется «в лоб», расчет голограммной маски приводит к необходимости выполнения около 1024 арифметических операций. Такое количество операций неосуществимо ни на одном современном компьютере. Нам удалось радикально уменьшить требуемый объем операций до уровня, реализуемого не только на современных суперкомпьютерах, но и на широко распространенных вычислительных кластерах, а в некоторых случаях и на обычном ноутбуке. Это удалось сделать благодаря великолепной работе, выполненной сотрудниками нашей фирмы профессором Алексеем Шамаевым, привлеченным к участию в разработке еще Боровиковым, и его учениками Петром Михеевым и Виталием Черником.

Нас поняли в Швейцарии



— И в каком состоянии сейчас ваша разработка?

— Как я уже упоминал, мы создали программный комплекс для синтеза голограммных масок, что позволяет создавать изображение сложных топологий, используемых в современных интегральных схемах. Чтобы экспериментально проверить принципиальную корректность предлагаемой нами технологии голографической литографии, мы создали оптический стенд. На этом стенде нам удалось получить изображение классической тестовой топологии с таким же разрешением как у проекционной фотолитографии. Этот чрезвычайно важный эксперимент, который перевел наш проект из разряда научно обоснованных предположений в разряд экспериментально доказанных фактов, был весьма успешно проведен Михаилом Борисовым и Дмитрием Челюбеевым. Они великолепно продемонстрировали то, что называется brain acrobatics, акробатику мозга, которая, по мнению наших многочисленных зарубежных коллег, столь характерна для российских физиков.

— Но все таки вы работаете сейчас в Швейцарии

Еще в 1992 году я получил звание adjunct professor американского университета; мог уехать, послужной список позволял. Не уехал, потому что думал, что в России все-таки можно будет что-то сделать не только в области бесхозяйственной, с моей точки зрения, продажи сырья. Но два года тому назад понял, что ничего не выходит: время меня поджимает, мне ведь далеко не пятьдесят. И тогда я занялся промотированием нашего проекта за рубежом.

Несколько лет назад, где-то в 2010-м, меня познакомили с Хайнцем Кундертом, который в то время был президентом Европейского отделения SEMI****. Я ему рассказал о нашей работе, но в тот момент он отнесся к моему рассказу скептически. Через полтора года мы снова пересеклись с господином Кундертом. И он неожиданно попросил: «Расскажите про ваши работы еще раз». И начал нам помогать как человек, абсолютно заинтересованный в деле.

Без его помощи я никогда не смог бы встретиться с людьми, с которыми он меня познакомил. Например, с руководством и ведущими специалистами Applied Materials, Intel Corp., Европейского центра IBM и так далее. Благодаря Кундерту мы прошли через 22 весьма обстоятельных и репрезентативных обсуждения нашего проекта в крупнейших западноевропейских и американских исследовательских центрах и фирмах, специализирующихся в области микроэлектроники, в том числе в институтах Fraunhofer-Gesellschaft в Германии. Мы смогли теоретически и экспериментально доказать реализуемость нашего проекта. Но нам сказали: «Надо сделать демонстратор. То, что вы делаете в лаборатории, не факт, что получится и в железе». А денег у нас на это не было. Ведь делали мы эту работу, не имея стратегических или финансовых партнеров и за свои гроши, не пользуясь никакой государственной поддержкой.

А дальше была следующая история. В Швейцарии правительство выдает гранты для того, чтобы швейцарская промышленность лучше себя чувствовала и чтобы новые идеи оставались в Швейцарии. Один из самых лучших инкубаторов таких идей — это Empa, подразделение знаменитого ETH, того самого Технического университета, в котором учился Эйнштейн, попавший туда только со второй попытки. Руководит Empa профессор Жан-Лука Бона. Это организация на сто процентов принадлежит государству, то есть как «Роснано» до 2011 года, но в отличие от «Роснано» реально работает и великолепно коммерциализирует тщательно отбираемые проекты. Поданная заявка на проект рассматривается дважды, рабочей группой и советом учредителей, а срок вынесения положительного или отрицательного решения о дальнейшей судьбе проекта не превышает двух месяцев с момента подачи заявки.

Профессор Бона был на моей презентации. А после нее спросил: «Как вы думаете дальше продвигаться?» — «Денег нет, не знаю». — «Давайте попробуем что-нибудь сделать». Через некоторое время он позвонил и предложил встретиться со специалистами IBM, с которыми он организовал видеоконференцию. Это были пять ведущих специалистов IBM, работающих в нью-йоркском Thomas J. Watson Research Center. Они меня потрошили два с половиной часа, причем, по-моему, я даже не смог ответить на все вопросы, так как часть их выходила за рамки уже полученных нами результатов и требовала проведения дальнейших исследований. Но после видеоконференции Жан-Лука сказал: «Приходите к нам, давайте работать». Так мы попали в Швейцарию.

Сейчас мы заняты созданием лаборатории, закупкой оборудования, на приобретение которого Empa выделила деньги, переговорами с европейскими фирмами, которые должны будут изготовить некоторые детали и узлы демонстратора, который, как я надеюсь, мы сможем продемонстрировать в работе через восемь-девять месяцев.

В правительстве нужны ученые и инженеры



— А «Роснано», «Сколково»?

— Не буду вдаваться в подробности, но попытки сотрудничества с «Роснано» меня, мягко выражаясь, разочаровали и подходами, и нравами этой организации, с которыми мне, к сожалению, пришлось столкнуться.

Что же до «Сколково», то на подававшуюся нами дважды заявку на проект «Cубволновая голографическая литография» ответили, если кратко сформулировать, что этого не может быть, потому что не может быть никогда. А ведь нам в многочисленных обстоятельных обсуждениях нашего проекта в России и за рубежом никто из специалистов ведущих российских, европейских, американских фирм или исследовательских центров, занимающихся микроэлектроникой, не смог указать ни на одну сколько-нибудь существенную ошибку.

— А в чем, по вашему мнению, проблема: почему в Швейцарии вас заметили, а в России так называемые институты развития не оценили?

— Проблема в том, что у нас люди типа Анатолия Борисовича Чубайса, с которым я дважды встречался для обсуждения возможности ускорения реализации представленных проектов, считают, управляя инновационной сферой, что главное — это управление per se, а не новые идеи и технологии. Они, по моим впечатлениям, уверены, что специалист по управлению может успешно управлять и прачечной, и микроэлектронным кластером. Но я убежден, что, если вы не знаете основ того дела, которым руководите, ничего дельного у вас никогда не получится.

По-моему, наше правительство, в котором, насколько мне известно, тоже отсутствуют или пребывают в абсолютном меньшинстве руководители, прошедшие технологическое и промышленное горнило и имеющие авторитет в научном и инженерном сообществе, просто не понимает, что самое главное богатство нации — это передовые технологии и люди, которые их создают и используют. А ведь страна заплатила бешеную цену (в том числе судьбами и кровью выдающихся ученых и инженеров) за наше образование, науку и технологии. А сейчас мы их бездумно теряем.

У советской власти наряду со всем известными неоспоримыми недостатками было нечто чрезвычайно важное, что позволило очень эффективно развивать науку и технологии. Мы менее чем за двадцать лет стали державой, которая смогла выиграть и технологическую войну с Германией, и длительное время практически на равных конкурировать с США в области науки и высоких технологий при практически несопоставимых уровнях развития экономики. Я помню время, когда лучшим подарком нашим заокеанским коллегам была пара томов «Ландавшица»*****, стоившх чуть больше трех рублей. А сейчас мы не успеваем переводить выходящие монографии с английского. И нам практически недоступны — просто дорого — труды международных конференций, посвященных высоким технологиям, и участие в них, а русская речь все чаще и громче слышна в Кремниевой долине. Мы теряем даже чудом сохранившиеся остатки отечественных высоких технологий. Короче, лучше классика не скажешь: «Распалась связь времен!» А ведь восстановить быстро науку и образование, или, не побоюсь сказать, великую Академию наук СССР, особенно при финансировании их по остаточному принципу, невозможно.

В Боевом уставе советской пехоты было сказано, что командование обязано всеми силами и ресурсами поддерживать вырвавшиеся вперед подразделения. Может быть, настало время вспомнить это мудрое правило и попытаться всячески поддерживать российские научные коллективы, работающие на передовом крае развития высоких технологий и в России, и за рубежом, как это весьма успешно делает в течение последних двух десятилетий Китай, ставший первой экономикой планеты. Ведь именно наша страна помогла Китаю встать с колен в пятидесятые годы прошлого века. А сейчас нам только и остается, что утешаться тем, что ученик так сильно превзошел своего учителя.

*****Неофициальное название многотомного «Курса теоретической физики», основными авторами которого были академики Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц.

Осталось неясным - какого разрешения планируют достигнуть?

как стандартно получается, наших управленцев интересует лишь молниеносная прибыль в размерах не менее 300% остальное за борт, т.к. сиюминутно не выгодно.Никакой прагматики.Поел покакал поспал.

>— А зачем это нужно? Вроде бы кремниевая пластина, из которой делают микросхемы, плоская?

>— Вы, наверное, слышали об интернете вещей (Internet of Things, IoT). Электроника до сих пор всегда была чем-то вроде мозгов. А мозги сами по себе физически недееспособны (по крайней мере пока) — читайте роман «Голова профессора Доуэля» — нужны руки. А руки трехмерны. Что такое руки? Это сенсоры и использующие их сигналы, механические устройства. Итак, если вы хотите, чтобы создаваемые вами микроустройства взаимодействовали друг с другом и без вашего участия делали все, что вы им запрограммируете, для этого нужно создавать трехмерные микромеханизмы и микроэлементы.

Феерия. Именины души, праздник сердца. Кто кого покусал - неясно, но экстаз присутствует. Кто нибудь может ЭТО мне объяснить? Пожалста.

> ни Роснано, ни Сколково денег не выделили

[censored]

Если не балабольство, то определенно Нобелевка. Новошвейцарским ученым. Ну или американским.

> Если не балабольство

Судя по некоторым "контрольным точкам", которые я понимаю, вполне возможно, что и правда.

> 1024 арифметических операции - обалдеть, правда же??

Для некоторых гуманитариев все, что больше 10-ти - бесконечность:)

>Кто ещё сомневается, с какой целью созданы роснано и СКОЛКОВО?

Ну что ты привязался, наш добрый царь пытается создать неофеодальную систему кормления для уважаемых людей, что ты привязался!!! Нафига нужно, что-то делать, если можно не делать. Уважаемым людям хорошо и это главное, значит не будут против царя идти, ведь царь хороший.

А для всякой черни и быдла есть телевидение и ужасы майдана, для особо буйных, есть спецслужбы. Красота.

> как стандартно получается, наших управленцев интересует лишь молниеносная прибыль в размерах не менее 300% остальное за борт, т.к. сиюминутно не выгодно.Никакой прагматики.Поел покакал поспал.

Распространённая тема. Особенно у госчиновников и окологосударственных бизнесменов - никто не знает точно когда лафа закончится и живут реально одним днём. Задача стоит так: денег побольше украсть и дверь стальную поставить. Мышление временщиков. Оттуда и деньги кубометрами дома лежат, счета непойми где, детки у потенциального противника растут и воспитываются.

> 1024 арифметических операции - обалдеть, правда же??

Следует читать как 10 в степени 24, и выше по тексту 10-11 как "десять в минус одиннадцатой".

> Ну а теперь вотт решили возрождать? С чего это вдруг?

Кто это решил? Благодаря эффективным очередная перспективная разработка уходит за рубеж.