Синхротрон вместо литографа: Китай поставит на SSMB?

Как известно, Минторг США фактически запретил голландской компании ASML – а это единственный в мире производитель фотолитографических машин, способных изготавливать микросхемы по стандартам 5 нм и менее, – поставлять эту свою продукцию в КНР. Тем не менее материковые китайские чипмейкеры все же умудрились освоить 7-нм производство на имеющихся у них литографах прежних поколений. По крайней мере, именно по технологической норме 7 нм выполнена, как подтверждают западные исследователи, система-на-кристалле HiSilicon Kirin 9000s (Hi36A0) новейшего флагмана Huawei, смартфона Mate 60 Pro.

Однако двигаться в сторону 3 нм (наиболее миниатюрный из серийно освоенных к настоящему времени техпроцессов) на морально устаревшем оборудовании уже не получится, а разработка собственных аналогов современных литографических машин потребует огромных финансовых вложений и долгого времени – и вдобавок поставит китайских чипмейкеров в заведомо проигрышное положение вечно догоняющих.

Надо полагать, из этих соображений в последнее время в Китае активизировались разработки новых способов получения высокоэнергичных фотонов для полупроводниковой фотолитографии. Традиционные чипмейкерские машины последних десятилетий – те самые, что позволяют штатно выпускать СБИС по нормам до 14 нм, а при должной юстировке и доработке и до 7 нм, – используют в качестве источника света глубокий ультрафиолет (deep UV, DUV) с длиной волны 193 нм. Более современные, выпекающие чипы по техпроцессам 5 нм и менее, – экстремальный ультрафиолет (EUV) с длиной волны 13,5 нм, для которого генерация устойчивого потока с необходимыми параметрами – само по себе непростая задача. Это уже почти рентгеновские лучи; преломляющей оптики для них не существует, приходится вместо линз в оптическом тракте применять зеркала сложных форм, что не только усложняет и удорожает конструкцию, но и увеличивает ее энергопотребление из-за значительно бóльших потерь на поглощение и рассеяние света. Один только готовый EUV-литограф обходится заказчику почти на порядок дороже DUV-машины (300+ млн долл. против примерно 50 млн), а себестоимость разработки и изготовления такого рода агрегатов с нуля и вовсе астрономическая.

На этом фоне не таким уж и прожектерским выглядит предложение группы исследователей из пекинского университета Цинхуа использовать для получения EUV-фотонов сразу полноразмерный синхротрон, разгоняющий фрагментированные на кластеры электронные пучки в режиме устойчивой микрогруппировки (steady-state microbunching, SSMB). Двигаясь по изогнутой траектории внутри разгонного кольца, электроны в любом случае испускают излучение (которое так и называется – синхротронным), но режим SSMB позволяет формировать когерентный пучок фотонов, испускаемых отдельными устойчивыми микрогруппами электронов в установке.

Теоретически эффект SSMB, превращающий синхротронное излучение по сути в лазерный луч, был предсказан еще в 2010 г., но практического воплощения он долгое время не имел, прежде всего по причине отсутствия коммерческих приложений – современные ультрафиолетовые лазеры позволяют получать то же самое коротковолновое когерентное излучение со значительно меньшими издержками. Однако теперь, когда речь в КНР идет о полном импортозамещении EUV-фотолитографии как отрасли, затраты на постройку синхротрона и преобразование его в действующую SSMB-машину (для чего необходимо еще разработать и специфическую систему электромагнитов для ондулятора, и оптический резонатор-усилитель для высокоэнергичных фотонов на выходе) уже не представляются чрезмерными.

По оценке китайских исследователей, данной в 2021 г., на создание специализированного SSMB-синхротрона в окрестностях Пекина уйдет максимум 5–6 лет, причем за это время их смежники наверняка сумеют разработать и соответствующую отражательную оптику, и фоторезисты, и иные необходимые компоненты полного производственного цикла отечественного EUV-фотолитографа. И в качестве источника света тот будет использовать синхротрон – вместо установки для формирования плазмы лазерными импульсами из капель расплавленного олова. К слову сказать, наладить выпуск такой  установки именно с теми параметрами, что нужны для чипмейкерских производств, удалось пока лишь одной компании  – Cymer из Сан-Диего, партнеру упомянутой выше ASML. И поскольку источник необходимого излучения – едва ли не ключевой в плане сложности разработки компонент EUV-машины, можно предполагать, что в районе 2026–2027 гг. КНР имеет немалые шансы обрести подлинный микропроцессорный суверенитет – теперь уже и в области самых передовых полупроводниковых технологий.