Цитата
:Профессор Раховский, работающий над созданием принципиально нового фотолитографа — важнейшей машины для производства микроэлектроники, предлагает нашему правительству вспомнить Боевой устав советской пехоты
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.
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, я и мои сотрудники из ВНИИМС (Всесоюзный научно-исследовательский институт метрологической службы.), где мы все работали, создали свою фирму.
Консультировали предприятия российской электронной промышленности.
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.
Что толку решать задачи, имеющие решение
— И какой же выход вы нашли?
— Столкнувшись со всеми эти фактами, я тогда впервые подумал: а зачем вообще использовать проекционный метод,
раз при проекции вы неизбежно передаете все дефекты с маски на кремниевую пластину? Да к тому же все это баснословно дорого. Надо было придумать, каким образом создавать изображение, которое было бы практически нечувствительным к дефектам маски. Ответ пришел, что называется, сам собой: просто
следовало использовать голографический способ генерации изображения. И я решил, что нужно заняться решением этой проблемы — разработкой фотолитографии, использующей голографическую маску. Если бы мне кто-нибудь рассказал, какой путь потребуется пройти, чтобы сделать это, — а разработка началась в
конце 2001-го, — я не уверен, что взялся бы за это дело. Но тогда была полная разруха, эмигрировать я не собирался. А значит, надо было придумать, чем заняться.
Почему именно голография? Во-первых, разумеется предельно упрощая, можно сказать, что каждая точка голограммы несет
информацию обо всем изображении. И поэтому влияние локальных дефектов на получаемое изображение пренебрежимо мало. По нашим оценкам получалось, что даже при дефектах, занимающих до одного процента площади голограммной маски, качество создаваемого с ее помощью изображения практически не пострадает.
То есть чувствительность изображения к локальным дефектам голограммной маски была на 9–10 порядков меньше, чем у обычной проекционной. В результате существенно снижаются требования к технологии хранения масок, сокращаются дорогостоящие регулярный контроль и ремонт масок, а срок службы голограммных
масок становился практически «вечным», радикально снижались требования к параметрам «чистых комнат». Мы, например, свои первые результаты получили просто в комнате, расположенной, по сути, при гараже, — как бы следуя традициям, заложенным Хьюлеттом и Паккардом, Джобсом и Возняком. Очень хотелось бы,
чтобы и наши конечные результаты оказались подобны результатам предшественников (шутка!).
Например, чтобы доказать потенциальным инвесторам, что создаваемое изображение практически нечувствительно к дефектам голограммной маски, мы разрезали голографическую маску на три части.
Освещали лазером каждую часть, и от каждой из них получали одно и то же изображение, что, разумеется, невозможно в случае использования проекционной маски.
Голографическая литография*** свободна и от других весьма существенных ограничений проекционной литографии ― например, от
необходимости борьбы с дифракционными искажениями создаваемого изображения, поскольку она использует дифракцию света в качестве инструмента для создания изображений. Можно даже сказать, что если в проекционной литографии дифракционные искажения являются неизбежным злом, то в голографической
литографии изображение формируется именно в результате дифракции.
Голографическая литография радикально решает и проблему проекционного объектива, поскольку для воспроизведения голографического изображения он вообще не требуется . Требуется лишь простейший объектив (иллюминатор) для
освещения маски. Мы теперь знаем, как сделать этот осветитель так, что он будет содержать всего две линзы, а значит, и стоимость такого устройства будет минимальна.
Голографическая литография может в несколько раз уменьшить стоимость оборудования на литографической стадии
производства чипов, составляющей сегодня свыше половины себестоимости чипов, что открывает новые перспективы для продления действия закона Мура.
— 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.
.
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
***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.
В конце концов мы создали программный комплекс, позволяющий
синтезировать голограммные маски для получения с применением SWHL не только практически любых топологий, реализуемых с помощью проекционной литографии, но и топологий, которые последняя не может создать при равных параметрах используемых оптических схем.
И наконец, голографическая
литография позволяет получать не только плоское изображение, как это делает проекционная литография, но и создавать изображение в процессе одной экспозиции в плоскостях, отстоящих друг от друга на расстояниях, значительно превышающих глубину фокуса используемой оптической системы, то есть
3D-изображения. Единственное, что необходимо знать заранее, — расстояния между такими плоскостями, чтобы учесть его в процессе расчета голографической маски.
— 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.
Когда мы рассказали
директору Математического института им. Стеклова РАН академику Валерию Васильевичу Козлову о наших результатах, он сказал, что технология голографической фотолитографии — прекрасный пример того, как математика непосредственно, а не опосредованно, может радикально изменять важнейшие технологии.
— У вас есть конкуренты в мире?
— Как ни странно, скорее всего нет. Нам неизвестны патенты или публикации, в которых приведены результаты создания произвольных топологий с субволновым разрешением с помощью голограммных масок. По-видимому, следует предположить, что этого
не произошло, так как потенциальным конкурентам не удалось найти решение тех математических и технологических проблем, с которыми наша группа смогла справиться. А идеи, лежащие в основе разрабатываемой нами технологии, мы запатентовали и продолжаем патентовать в России и за рубежом.
Источник:
В отличие от стереоскопического изображения, используемого голливудскими кинокомпаниями, или других вариантов 3D, истинная 3D-голография точно отражает действительность, воспроизводя в пространстве световые поля или оптические волновые фронты. Хорошо изготовленная голограмма, , позволяет зрителю
обойти 3D-изображение вокруг и рассмотреть его со всех сторон. Можно входить и выходить из него и даже потрогать его, «коснувшись пальцами фотонов». И при этом становятся не нужны все эти нелепые очки. «Правильно изготовленная голограмма заставляет поверить, что эта вещь действительно перед вами,
Это не просто передача изображения, а полное его описание.
Следующий этап технологии:
Думал еще на эту тему. Мне понравилось.
Идея и правда фантастическая.
Голографическая матрица, в отличие от обычной, нисколько не повторяет контуры предмета, который она
создает после освещения лазером. По ней, как по фотопластинке не угадать, что изображено. Если на обычной матрице как на негативе, видно то же самое изображение, что и на экране, то на голограмме ничего не видно, ничего не понятно. И их задача - создать такое облако частиц, точек, матрицу, которая
бы при освещении порождала в результате бесконечных дифракционных сложений волн лучей в пространстве конкретный образ. Задать программе желаемый образ, которого еще нет, в случае ПРИНЦИПИАЛЬНОГО отсутствия оригинала. и понять, как должна выглядеть голограмма. То есть, создать голограмму ранее
несуществующей вещи.
Вот в том и сложность, и фантастичность. Это ни с чем не сравнимо в нынешней парадигме. Тут -то им и понадобился расчет по оригинальным методикам, поскольку напрямую выполнить расчет нельзя - не хватит вычислительных мощностей. Нужно было оптимизировать задачу.
Решать те уравнения, которые веками никто настолько не упрощал. Это, пожалуй, технологии не только 21 века, а 22-23 века, обгоняющие развитие техники...
Наверняка это открывает перспективы не только в микроэлектронике... А я бы сказал, и в 3D-технологиях вообще! Подобно тому, как сейчас
создают виртуальный 3D - мир, моделируя отражение и рассеяние лучей в виртуальном мире по законам геометрической оптики, подобно этому можно будет создавать голограммы, движущиеся голограммы виртуальных вещей. Сейчас в основном голографию применяют только для фотографирования и воспроизведения
реальных предметов. Соответственно - только в одной плоскости ! А вот расчет виртуальной голограммы в режиме "онлайн" позволит создавать настоящий виртуальный голографический мир..
