Импортозамещение в обороне: первый отечественный фотолитограф «Прогресс СТП-350»

Зачем нам 350-нм

Начнем с очень хорошей новости – в конце прошлого года первый отечественный фотолитограф «Прогресс СТП-350» появился в открытой продаже. Каждый желающий, у кого имеется без малого 400 миллионов рублей, может стать счастливым обладателем данного аппарата. Умеет он многое – производит микросхемы по технологической норме 350 нанометров, вместо устаревшей ртутной лампы у него твердотельный лазер, производительность составляет до 63 кремниевых пластин в час, а сами пластины в диаметре 150 и 200 мм.

Но для начала объясним, что за чудо техники этот самый фотолитограф. Если совсем просто, то представить печать микрочипов можно в виде такой вот новеллы. Условно процесс можно отождествить с рисунком на песке, только вместо палочки луч света, а вместо песка — кремниевая пластина, покрытая специальным фоторезистом или веществом, которое реагирует на свет. Фотолитограф проецирует через трафарет (маску) невероятно тонкий рисунок будущей микросхемы — с миллионами транзисторов и соединений — на поверхность пластины. Там, где свет попадает, фоторезист меняет свои свойства, и затем химическим способом (травлением) «ненужные» части удаляются, оставляя на кристалле точнейший узор. Этот процесс повторяется десятки раз, слой за слоем, формируя трёхмерную структуру чипа.

Чем точнее фотолитограф может сфокусировать луч, тем меньше можно сделать транзисторы, а значит, на одном кристалле поместится больше вычислительных элементов, и процессор станет мощнее, быстрее и экономичнее. Именно поэтому гонка за всё более мелким техпроцессом — это, по сути, гонка за всё более совершенными фотолитографами.

Несмотря на то, что 350-нанометровый процесс, мягко говоря, не самый передовой в мире, сложностей с такими фотолитографами хватает. Во-первых, точность фокусировки: луч от эксимерного лазера (248 нм) должен держать фокус с отклонением не более 0,5 микрона по всей пластине, иначе рисунок «поплывет». Вторая головная боль — чистота масок: любая пылинка на фотошаблоне тиражировалась на тысячи чипов. В-третьих, требование к однородности фоторезиста, который нужно нанести слоем менее микрона с минимальным разбросом. Наконец, приходится бороться с дифракцией: свет «расплывался» за краями трафарета, и инженеры заранее искажают рисунок на маске, чтобы после прохождения через оптику он получался правильным. Отчасти становится понятно, почему фотолитограф «Прогресс СТП-350» стоит почти 400 миллионов рублей.


Хватит физики – перейдем к лирике. Немного истории. Первые 350-нанометровые техпроцессы в промышленности появились в середине 90-х годов. Это были Pentium Pro и MMX. Россия, строго говоря, сократила отставание от мировых лидеров в производстве фотолитографов с 40-50 лет до тридцати. Выпускать микросхемы на импортных фотолитографах мы тоже можем не самые совершенные – лишь на 180-нм техпроцессе. Часть экспертов утверждает о наличии фотолитографов под 65-нм, но это не точно. Именно поэтому самый современный российский серверный микропроцессор «Иртыш» приходится выпускать в Китае, так как его техпроцесс требует аппаратуру под 12 нанометров.


Резонный вопрос: зачем России вкладываться в устаревший 350-нм техпроцесс, если можно построить совершенные 120-, 65- и даже 12-нм фотолитографы? Во-первых, это гораздо дольше по времени, а микрочипы нужны здесь и сейчас. Во-вторых, перспективы создания полностью отечественного современного фотолитографа настолько туманны, что они скорее из области фантастики. А микрочипы по 350-нм техпроцессу – это основа обороноспособности страны. Не больше и не меньше. Микросхемы такого класса не боятся ионизирующего излучения, в отличие от тонких 5-7 нанометровых транзисторов.

На 350 нм проще создать троированную (тройное резервирование) микросхему, которая не боится одиночных сбоев. Для военной техники важна работа в экстремальных условиях: перепады температур, вибрация, ЭМИ-импульсы. 350-нм транзисторы крупнее и толще, а значит — надёжнее. Боевые системы управления, приводы, блоки питания требуют высоковольтных компонентов (до 100 В), которые невозможно произвести на тонких техпроцессах. 350 нм идеально подходит для этого. В гражданском секторе без 350 нм никак — в них нуждается автомобильная электроника, медицинская техника, связь и оптоэлектроника. В итоге 350-нм техпроцесс — это зрелая, проверенная временем технология, которая по-прежнему широко используется в тех областях, где не нужны минимальные размеры транзисторов, но важны надёжность, высокое напряжение и аналоговая точность.

История успеха

История «Прогресс СТП-350» началась еще до СВО – в 2021 году. Осенью Минпромторг объявил два конкурса на разработку фотолитографического оборудования, что стало началом масштабной государственной программы по импортозамещению в области микроэлектронного машиностроения.

Первый конкурс был нацелен на создание установки проекционного переноса изображения топологического рисунка интегральной схемы на пластину (в просторечии именуемой степпером) с разрешением до 130 нанометров с дальнейшей перспективой модернизации до 65 нанометров, а второй конкурс предполагал разработку более консервативного по технологическим нормам оборудования с разрешением 350 нанометров.

Во втором случае речь идет о будущем «Прогрессе». Согласно документам, опубликованным в ходе конкурсной процедуры, стоимость контракта на разработку оборудования для 350-нанометровой литографии была определена в размере 7,9 миллиардов рублей. Единственным участником конкурса выступил «Зеленоградский нанотехнологический центр» (ЗНТЦ), от которого пришла заявка на 7,51 миллиарда рублей. У ЗНТЦ, расположенного в Москве в высокотехнологичном кластере Зеленограда, на тот момент были почти все компетенции в разработке подобных проектов.

Почти, но не все. Фотолитографы в металле делать не умели – опыта не хватало. Как оказалось, недостающий опыт нашелся в Беларуси в предприятии «Планар», которое сохранило огромный накопленный потенциал со времён Советского Союза. История «Планара» достаточно интересна и поучительна, но требует отдельного повествования. Достаточно сказать о 500-нм техпроцессе, который фотолитографы от «Планара» освоили в 1992 году. Отдаленным прототипом для российского «Прогресса» стала машина ЭМ-5784, появившаяся в 2017 году. Как только стало понятно, что без Белоруссии отечественной микроэлектронике никак не справиться, начались работы по модернизации ЭМ-5784 до варианта ЭМ-5884. Именно этот фотолитограф стал непосредственной основой для создания «Прогресс СТП-350». Говоря о связи между «Прогресс СТП-350» и ЭМ-5884, специалисты указывают, что первый литограф был создан на базе второго, при этом произведены определённые адаптации и локализация компонентов для российского использования.


Габариты российского «Прогресса» впечатляют. Фотолитограф представляет собой установку весом 3,5 тонны, высотой в 2,5 м и шириной в 2 м. Это основное оптико-механическое устройство содержит объектив лазера с рабочей длиной волны 365 нанометров. К основному блоку добавляется управляющий комплекс чуть меньших размеров. Как уже говорилось выше, главное достоинство «Прогресса» в использовании твердотельного лазера вместо ртутной лампы. Это обеспечивает значительно большую яркость и когерентность излучения, что позволяет достичь более высокой разрешающей способности и точности переноса изображения. Кроме этого, твердотельные лазеры имеют значительно более длительный срок службы (до десяти тысяч часов работы) по сравнению с ртутными лампами, которые требуют замены каждые несколько лет. А еще лазер в фотолитографе – это энергоэффективность, совершенные оптические системы и материалы для фотошаблонов.

Если у кого-то появилось желание приобрести «Прогресс СТП-350», то ждать придется полтора года, предварительно обеспечив аванс в половину стоимости фотолитографа. Первым покупателем агрегата стала компания «Отраслевые решения» из группы компаний «Элемент». Готовый фотолитограф отгрузили заказчику в конце прошлого года, и он уже прошел необходимую процедуру адаптации к производству. Для справки – зарубежные аналоги дороже «Прогресса» в два-три раза.

Работы по 350-нм полностью отечественному техпроцессу завершены. Сейчас ресурсы Зеленоградского нанотехнологического центра сфокусированы на 130 нанометрах. Но это уже немного другая история и другой прогресс.