Полупроводники давно проникли во все сферы жизни. Смартфоны, серверы, автомобили и медицинские приборы — все это работает благодаря миллиардам крошечных элементов на кремниевых пластинах. Чем мельче эти компоненты, тем производительнее и энергоэффективнее устройства. А чтобы формировать подобные структуры на кремнии, требуется особое оборудование, способное работать с длинами волн в десятки раз меньше видимого света.
Китай много лет вкладывает огромные ресурсы в развитие собственной микроэлектроники. Государственные программы, частные инвестиции и целые кластеры предприятий должны были помочь стране выйти из зависимости от импортных поставок. Тем не менее самый сложный элемент технологической цепочки, а это литографические машины, до сих пор остается узким местом. И причины кроются не только в отсутствии отдельных деталей, но и в технологии. Давайте разбираться.
Как работают современные литографические установки
В основе самых продвинутых систем лежит технология экстремального ультрафиолетового излучения. Мощный лазер на углекислом газе направляет два последовательных импульса на крошечную каплю расплавленного олова. Первый расплющивает ее в тонкий диск, второй превращает в плазму с температурой в сотни тысяч градусов. Из плазмы выходит свет с длиной волны 13,5 нанометра. Процесс повторяется десятки тысяч раз в секунду (40–50 тысяч), чтобы обеспечить стабильную и достаточную мощность излучения для экспозиции пластины.
Дальше свет попадает в оптическую систему. Обычные линзы здесь бесполезны: материал просто поглощает такие короткие волны. Поэтому инженеры применяют только отражатели. Каждый зеркальный элемент состоит из десятков тончайших слоев молибдена и кремния, нанесенных с атомной точностью. Луч проходит через серию зеркал, прежде чем сформировать изображение. Вся оптика работает исключительно в вакууме, иначе излучение рассеется в воздухе за доли миллиметра. Естественно, все это оборудование крайне громоздкое. Система весит десятки тонн и требует постоянного контролирования температуры и вибраций. Но и это не всё.
Механическая часть установки не уступает по сложности оптической. Столик для кремниевой пластины перемещается с точностью менее одного нанометра, компенсируя любые внешние воздействия. Маска с рисунком (ретикул) тоже движется синхронно, а специальное программное обеспечение рассчитывает траектории в реальном времени. Что в итоге? Машина, способная выполнять всю эту работу, размером примерно с двухэтажный автобус, плюс в ней сотни тысяч деталей. Каждая из них проходит многоступенчатую калибровку, чтобы система работала синхронно, как единый механизм, годами и без сбоев.
Почему одна компания не справится
Что это значит для Китая? Такие установки невозможно собрать силами даже очень крупного предприятия. Одна фирма берет на себя роль архитектора и интегратора, но почти все компоненты приходят от внешних поставщиков. Что касается ASML, оптические модули создает немецкая компания, которая десятилетиями оттачивала искусство полировки поверхностей до атомной точности. Помните тот фрагмент из «Рика и Морти», где Рик делает для внука идеально гладкий пол? Вот это примерно оно. Лазерные источники и системы плазмы разрабатывают специалисты из США и Нидерландов. Прецизионные механические узлы и вакуумное оборудование поставляют фирмы из разных стран Европы и Азии.
Каждое направление здесь требует отдельной школы. Нужно владеть не только физикой плазмы и оптикой, но и химией материалов, метрологией на нанометровом уровне, программированием для управления сотнями миллионов операций в секунду. Разработка машин ASML заняла больше 20 лет и потребовала миллиардов долларов только на исследования. Поставщики ежегодно тратят огромные суммы на собственные лаборатории, чтобы произведенные ими комплектующие идеально стыковались с остальными. Без такой распределенной сети любой проект рискует застрять на годы из-за одной нерешенной задачи.
В КНР все идет своим чередом. Китайские предприятия уже научились производить установки глубокого ультрафиолета. SMEE поставляет машины, которые позволяют получать чипы на 28 нанометрах и чуть ниже с помощью дополнительных приемов экспозиции. Однако переход к экстремальному ультрафиолету требует совершенно другого уровня точности и материалов. Прототипы, собранные в лабораториях Шэньчжэня, уже работают, но пока не способны стабильно обрабатывать пластины в промышленных объемах.
В чем тут основная проблема? Торговые меры перекрывают доступ к ключевым элементам. Ограничения на экспорт из Европы и США касаются не только готовых машин, но и отдельных компонентов: зеркал, лазерных модулей, специальных покрытий. Даже если инженеры находят обходные пути, остается проблема полной интеграции. Отдельные узлы работают в тестовом режиме, поэтому добиться промышленной надежности и стабильного выпуска большого количества годных чипов пока не получается.
Ну и внутри страны отрасль еще сильно фрагментирована. Разные предприятия часто дублируют усилия или, наоборот, не могут быстро согласовать поставки сырья и программ. Руководители полупроводниковых компаний открыто говорят о необходимости национальной координации, потому что одной только государственной поддержки и денег недостаточно. Время на выстраивание всей цепочки, от базовых материалов до финальной калибровки, измеряется годами, а мировые лидеры в это время уходят дальше.
Так что в итоге?
Китайские фабрики активно используют имеющиеся установки глубокого ультрафиолета с множественными экспозициями.Техника четырехкратного формирования рисунка позволяет получать эффективные размеры транзисторов заметно меньше номинальных возможностей оборудования. SMIC уже выпускает чипы на уровне 7 нанометров именно таким способом, хотя это увеличивает стоимость и снижает скорость производства. Сейчас компания вроде бы приближается к 5 нанометрам, но это неточно.
Государство усиливает программы импортозамещения. Поставщикам фоторезистов, химикатов и вспомогательного оборудования дают приоритетные контракты и налоговые льготы. К 2027 году планируется довести долю отечественных компонентов в некоторых направлениях до 70%. Одновременно идут крупные инвестиции в смежные области: от разработки собственного программного обеспечения для проектирования до создания материалов для масок.
В 2026 году топ-менеджеры отрасли обратились к руководству страны с призывом ввести дополнительные меры поддержки. Они предлагают создать единую национальную программу по литографии, похожую на масштабные проекты прошлого. Рекрутинг талантливых инженеров из-за рубежа продолжается, а лаборатории получают приоритетное финансирование. Все это позволяет постепенно сокращать разрыв, хотя полная независимость в области самых передовых машин остается задачей на ближайшие годы. Нерешенных вопросов еще много.
