Возродить электронное машиностроение

Наука и технологии
ЭЛЕКТРОННОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ
«Эксперт» №26 (993) 25 июня 2016
Благодаря работам российских инженеров у России появился шанс начать возрождение одной из разрушенных стратегических отраслей промышленности
Возродить электронное машиностроение

Любое современное устройство состоит из деталей и узлов двух типов: первые получены в результате механической обработки, вторые — разнообразные электронные компоненты. Первые изготавливают на станках, производством которых занято станкостроение, вторые — на машинах, которые производит электронное машиностроение. Если у вас есть полноценные станкостроение и электронное машиностроение и вы в состоянии изготовить любой станок и любую электронную машину, то вы сможете произвести и любое устройство — от игрушек до планшета и от трактора до ракеты.

Российское станкостроение не в лучшем состоянии, о чем «Эксперт» неоднократно писал. С электронным машиностроением дело обстоит значительно хуже, хотя и в этой области Советский Союз был, безусловно, великой державой. В силу фактически выбранной СССР политики автаркии мы производили практически всю номенклатуру электронных машин, необходимых для производства электронных компонентов и электронных узлов и изделий. Но, как заметил руководитель экспертной группы по производственным технологиям полупроводниковой микроэлектроники коллегии ВПК РФ Георгий Виноградов, «что касается остатков нашего электронного машиностроения, то приходится констатировать: электронного машиностроения как отрасли в России не осталось, а то, что все-таки производится, годится лишь для мелких производств нестандартных устройств».

 

 

Значимость отрасли

 

С каждым годом стратегическая значимость электронного машиностроения только возрастает. В мире осталось только четыре компании, производящие наиболее сложные электронные компоненты — процессоры — на самом высоком технологическом уровне. Это TSMC, STMicroelectronics, Intel и Samsung. Именно они обладают самым современным технологическим оборудованием, стоимость которого, так же как стоимость самого технологического процесса, становятся недоступными для большинства других компаний. Соответственно и компании, занимающиеся разработкой и производством машин для электронной промышленности, распределены по миру далеко не равномерно. По оценкам респондентов «Эксперта», в Японии находится примерно 20% мирового производства электронных машин, в Европе — около 10%, в США — порядка 60%. Причем в последнее время большинство японских компаний в этой отрасли перешли под контроль американского капитала. Американцы также вошли в капитал голландской компании ASML, крупнейшей и самой передовой в области разработки и производства фотолитографических машин, наиболее сложных в электронике. И это произошло буквально за последние лет пять. Вряд ли случайно.

Нельзя считать себя великой державой и при этом находиться в опасной зависимости от других стран в чувствительных для национальной безопасности отраслях промышленности и экономики.

Еще в 2011 году Хайнц Кундерт, президент Европейского отделения международной организации Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI), объединяющей изготовителей изделий, оборудования и материалов электронной техники, сказал в интервью «Эксперту»: «Своя микроэлектро

*Когда правительство Франции решило повсеместно внедрить в стране кабельное телевидение, там решили, что многие миллионы приставок, которые должны стоять в каждой семье, сделает компания Thomson. В результате Thomson стала ведущим производителем электроники во Франции и одним из ведущих в мире. Аналогичным образом китайское правительство поддерживает компанию Huawei, которая стала ведущим производителем телекоммуникационного оборудования в мире.

 

НАУКА И ТЕХНОЛОГИИ / ЭЛЕКТРОННОЕ МАШИНОСТРОЕНИЕ

Александр Механик

Возродить электронное машиностроение

Благодаря работам российских инженеров у России появился шанс начать возрождение одной из разрушенных стратегических отраслей промышленности

 

Любое современное устройство состоит из деталей и узлов двух типов: первые получены в результате механической обработки, вторые — разнообразные электронные компоненты. Первые изготавливают на станках, производством которых занято станкостроение, вторые — на машинах, которые производит электронное машиностроение. Если у вас есть полноценные станкостроение и электронное машиностроение и вы в состоянии изготовить любой станок и любую электронную машину, то вы сможете произвести и любое устройство — от игрушек до планшета и от трактора до ракеты.

Российское станкостроение не в лучшем состоянии, о чем «Эксперт» неоднократно писал. С электронным машиностроением дело обстоит значительно хуже, хотя и в этой области Советский Союз был, безусловно, великой державой. В силу фактически выбранной СССР политики автаркии мы производили практически всю номенклатуру электронных машин, необходимых для производства электронных компонентов и электронных узлов и изделий. Но, как заметил руководитель экспертной группы по производственным технологиям полупроводниковой микроэлектроники коллегии ВПК РФ Георгий Виноградов, «что касается остатков нашего электронного машиностроения, то приходится констатировать: электронного машиностроения как отрасли в России не осталось, а то, что все-таки производится, годится лишь для мелких производств нестандартных устройств».

 

Значимость отрасли

С каждым годом стратегическая значимость электронного машиностроения только возрастает. В мире осталось только четыре компании, производящие наиболее сложные электронные компоненты — процессоры — на самом высоком технологическом уровне. Это TSMC, STMicroelectronics, Intel и Samsung. Именно они обладают самым современным технологическим оборудованием, стоимость которого, так же как стоимость самого технологического процесса, становятся недоступными для большинства других компаний. Соответственно и компании, занимающиеся разработкой и производством машин для электронной промышленности, распределены по миру далеко не равномерно. По оценкам респондентов «Эксперта», в Японии находится примерно 20% мирового производства электронных машин, в Европе — около 10%, в США — порядка 60%. Причем в последнее время большинство японских компаний в этой отрасли перешли под контроль американского капитала. Американцы также вошли в капитал голландской компании ASML, крупнейшей и самой передовой в области разработки и производства фотолитографических машин, наиболее сложных в электронике. И это произошло буквально за последние лет пять. Вряд ли случайно.

Нельзя считать себя великой державой и при этом находиться в опасной зависимости от других стран в чувствительных для национальной безопасности отраслях промышленности и экономики.

Еще в 2011 году Хайнц Кундерт, президент Европейского отделения международной организации Semiconductor Equipment and Materials International (SEMI), объединяющей изготовителей изделий, оборудования и материалов электронной техники, сказал в интервью «Эксперту»: «Своя микроэлектроника в стране — это своего рода гарантия национальной безопасности не только в области обороны, но и в области экономики и промышленности. В России обсуждают модернизацию. Без электроники она невозможна. Полупроводники присутствуют почти во всех товарах, и применяют их все больше. Поэтому, если у вас нет электроники, вы всегда будете зависеть от других стран, таких как Китай, США, Тайвань. Это очень опасная ситуация». Опыт западных санкций против России это подтвердил, Да и без всяких санкций купить критические технологии и критическое оборудование невозможно, потому что они являются важным конкурентным преимуществом и государств, и компаний.

По мнению Всеволода Опанасенко, генерального директора компании «Т-Платформы», ведущего российского разработчика и изготовителя суперкомпьютеров и нового поколения процессоров «Байкал», России очень важно иметь собственное электронное машиностроение: «Хотя ясно, что мы в этой области сильно отстали. В мире всего несколько стран и компаний, которые умеют это делать. Но если в России есть люди, которые предлагают новые и передовые технологии, то их надо активно поддерживать. Но, честно говоря, шанс на полноценное возрождение этой отрасли в России, на мой взгляд, достаточно маленький». 

 

Революция, которая меняет свои приоритеты

Пока российское электронное машиностроение исчезало в волнах реформ, а российская микроэлектроника боролось за выживание, в мировом электронном машиностроении происходил радикальный переворот.

Еще в 1965 году один из создателей корпорации Intel Гордон Мур высказал предположение, которое впоследствии назвали законом Мура: число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые полтора-два года, а их размеры — с той же скоростью уменьшаться. И если в начале 1970-х проектные нормы производства микросхем, выполняемых как системы на кристалле, соответствовали 10 мкм, в середине 1990-х — 180–350 нм, то сейчас речь идет о размерах меньше 20 и даже 10 нм.

Президент и главный исполнительный директор Intel Пол Оттелини еще в 2011 году объявил, что компания планирует после 2015 года перейти к производству микросхем на 7 и 5 нм. Казалось, мы становимся свидетелями перехода мировой электроники на молекулярный уровень. Однако мировые гранды электроники этого темпа развития не выдержали. И пока можно говорить только об устойчивом производстве процессоров с проектными нормами 28 нм.

Дело в том, что с каждым годом делать очередной шаг в сторону миниатюризации электронных устройств становилось все труднее. Причем проблемы носят не только технический, но и экономический характер. Полупроводниковая промышленность начала терять экономические преимущества от масштабирования при переходе к более малым проектным нормам конструкций типа «система на кристалле». Как написал в этом году в журнале Solid State Technology Цви Ор-Бах, президент и исполнительный директор компании MonolithIC 3D Inc, «размерное масштабирование ниже 28 нанометров только увеличивает стоимость компонентов».

Тем не менее, как отметил в журнале Nature его редактор М. Митчелл Уолдроп, «торможение закона Мура не будет означать конца прогресса. Инновации будут продолжаться — но они будут сложнее».

Развитие микроэлектроники уже не ограничивается дальнейшей миниатюризацией систем на кристалле в соответствии с законом Мура, которое получило название More Moore («Больше Мура»). Специалисты называют еще несколько направлений развития микроэлектроники, уже получивших название More than Moore («Больше чем Мур»).

В отличие от систем на кристалле эти направления физически реализуются как системы в корпусе, то есть как комбинация нескольких активных электронных компонентов различной функциональности, например пассивные элементы, оптические компоненты, микроэлектромеханические системы (МЭМС), собранные в едином корпусе. В результате конструкция становится меньше, легче, надежнее и дешевле.

МЭМС-технологии уже широко применяются для изготовления различных миниатюрных датчиков — акселерометров, датчиков угловых скоростей, гироскопов, магнитометрических и барометрических датчиков, анализаторов среды (например, для оперативного анализа крови). Как выразился один из специалистов, если микросхемы — мозг электронных систем, то МЭМС — их глаза и руки.

Одна из реализаций направления More than Moore — «интернет вещей» (Internet of Things, IoT) — единая сеть физических объектов, способных изменять параметры внешней среды или свои, собирать информацию и передавать ее на другие устройства. «Умные» гаджеты, о которых мы в последнее время все чаще слышим, — это и есть участники IoT. По определению специалистов из компании Cisco Business Solutions Group, IoT — это состояние интернета с того момента, когда количество «вещей или объектов», подключенных к Всемирной сети, превысило население планеты. По данным компании, взрывной рост числа смартфонов и планшетных компьютеров привел к тому, что число устройств, подключенных к Сети, уже в 2010 году достигло 12,5 млрд. Многие компании присоединяются к программе создания устройств IoT, разработчики выпускают специальные процессоры для новых поколений устройств. Но для российской электроники важно, что технологическая гонка в электронике явно замедляется, соревнование перемещается из сферы электронного машиностроения в сферу электронных устройств, и у России появляется шанс сократить технологический разрыв, а может, и преодолеть его.

 

Шанс для России

По мнению большинства наших респондентов, если Россия хочет восстановить электронное машиностроение, то начинать надо с машин по производству микроэлектроники, уровень которой определяет уровень всей электронной аппаратуры, а производство процессоров и микросхем — одно из самых сложных и наукоемких во всей промышленности. Они зададут планку для развития других машин, вспомогательных устройств и материалов.

Генеральный директор НИИ точного машиностроения Вадим Одиноков напомнил, что зеленоградский Научный центр — главный советский центр разработки микроэлектроники — начинался с их института, нацеленного на разработку технологического оборудования: «Начали бы с разработчиков микросхем и технологий их изготовления — а оборудования нет. И оказались бы в тупике: как воплощать разработки? Поэтому начинать надо с оборудования». То есть с электронного машиностроения.

В производстве процессоров можно выделить три основные технологии: фотолитография, травление и имплантация. Именно эти операции определяют структуру и свойства процессора. Наши респонденты едины в том, что именно эти три технологии и оборудование для их реализации критические в микроэлектронике, они определяют достигнутый уровень проектных норм, то есть уровень развития микроэлектроники и электронного машиностроения в стране, и чаще всего становятся предметом всяческих ограничений.

Оказалось, что в России есть группы разработчиков, у которых имеются оригинальные предложения мирового уровня по разработке машин для выполнения этих операций, что позволит, в случае удачи, выдвинуть Россию в ряд ведущих производителей такого оборудования. В статье «Машины, которые Россия может создать» (см. стр. ???) мы приводим некоторые технические детали этих предложений, которые объясняют источники появившихся возможностей.

На все эти разработки наше внимание обратил академик РАН, научный руководитель одного из центров российской микроэлектроники — Научно-исследовательского института системных исследований Российской академии наук — Владимир Бетелин, убежденный в необходимости и возможности возрождения электронного машиностроения в России.

 

Без борьбы нет побед

Разработка таких машин не решит всех проблем, которые необходимо преодолеть для возрождения российского электронного машиностроения, более того, она их только обозначит. Но, как говорится, без борьбы нет побед. Примеры, приведенные нами, в частности, показывают, что при всех потерях, которые понесли отечественные наука и промышленность, в России все еще сохраняются и выдающиеся инженеры, и сильные научно-технические коллективы, которые при соответствующей поддержке со стороны государства и бизнеса способны решить сложнейшие инженерные задачи и обеспечить возрождение и развитие самых передовых отраслей промышленности.

Справедливости ради отметим, что правительство в рамках госпрограммы «Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности на 2013–2025 годы» приняло подпрограмму «Развитие электронной компонентной базы и радиоэлектроники…», которая является продолжением аналогичных документом на период с 2008 по 2015 год. Обе предполагают меры по развитию электронного машиностроения. В частности, туда вошли предложения группы компаний ЭСТО по разработке травителя и имплантора. Но в программе ставится условие софинансирования разработок фирмами-разработчиками в соотношении 50% на 50%, что для большинства российских компаний, действующих в области электронного машиностроения, неподъемно. А главное, непонятно, какие общегосударственные задачи позволит решить эта программа. Нет ощущения ее встроенности в общий план развития страны.

К сожалению, в Минпромторге фактически отказались дать комментарии о ходе выполнения этих программ. А наши респонденты отмечают, что документы «до сих пор не работают: ни копейки не профинансировано и не распределено».

 

От пирамиды электроники к пирамиде планирования

Один из основных вопросов, возникающих при обсуждении проблемы возрождения электронного машиностроения: а есть ли в России потенциальный потребитель этого оборудования? Сейчас производители процессоров в России представлены только тремя относительно небольшими, по крайней мере в мировом масштабе, фабриками «Микрон», «Ангстрем» и НИИСИ. И хотя разработка подобного оборудования сама по себе представляет ценность, поскольку обеспечивает безопасность страны и поддерживает ее научно-технологический уровень (не случайно такими разработками занимаются во многих государствах, не претендующих на развитие собственного электронного машиностроения), тем не менее попробуем провести небольшой и самый приблизительный экономический анализ перспектив электронного машиностроения в России.

Электронную промышленность можно представить в виде перевернутой многоэтажной пирамиды. Ее верхний этаж — производство электронной аппаратуры, этаж ниже — производство компонентов и, наконец, первый этаж — вершина, на которой стоит вся перевернутая пирамида. Это и есть электронное машиностроение, производственная инфраструктура и производство материалов.

По данным отраслевой ассоциации SEMI, объем глобального рынка электронной аппаратуры составил в 2015 году почти 1,6 трлн долларов. Поддерживает его производство полупроводниковых компонентов — 370 млрд долларов, или 24% рынка аппаратуры. И в основании пирамиды — производственное оборудование, доля которого — 42 млрд долларов, то есть всего 2,7% рынка аппаратуры. Но именно эти 2,7% определяют технический уровень всей электроники, объясняет Владимир Бетелин.

В России, по данным Минэкономразвития за 2013 год, рынок вычислительного телекоммуникационного оборудования, то есть верхнего этажа пирамиды российской электроники, составил 658 млрд рублей. Сюда не входят соответствующие расходы «Росатома», других госкорпораций, РЖД, станкостроения и обороны. Если учесть и их, то можно уверенно эту цифру удвоить. «Если исходить из данных мирового рынка, — говорит Владимир Бетелин, — и считать, что российский рынок полупроводниковых компонентов также составляет 24 процента от рынка электронного оборудования, то в год выходит ориентировочно 158 миллиардов рублей. А технологического оборудования — на 18 миллиардов. Объемы достаточные, чтобы говорить о развитии собственного электронного машиностроения». Но пока подавляющая часть этого рынка на всех его этажах обеспечивается импортом. Хотя его емкость позволяет выстроить в России собственную пирамиду производства электроники — от электронной аппаратуры до электронного машиностроения в России. Проблема в том, как заменить на российском рынке импорт отечественной продукцией.

Руководитель ГК «Микрон» и генеральный директор НИИМЭ академик РАН Геннадий Красников считает, что проблему надо решать «сверху»: «Чтобы в России развивать электронное машиностроение, нужно, чтобы у нас появились собственные “самсунги” или “хуавеи”, то есть по-настоящему крупные производители разнообразной электронной аппаратуры. Для этого у такого российского “самсунга” должны появиться якорные, лояльные потребители. Потенциально у нас они есть — это госкорпорации, “Газпром”, РЖД, “Росатом”». В свою очередь такой “самсунг” должен стать якорным, лояльным потребителем для производителей электронных компонентов, для того же “Микрона” и других фабрик, а уже они выступят потребителями продукции электронного машиностроения». «Что бы ты ни производил, у тебя должен быть лояльный потребитель. Для каждого этажа электронной пирамиды нужно создать цепочки лояльных якорных отечественных потребителей. А приоритет на отечественном рынке должен быть, как и во всем мире, за отечественными производителями», — продолжает эксперт.

С этим согласен и Владимир Бетелин: «Потребности российских госкорпораций, а также высокотехнологичных и стратегических отраслей промышленности в изделиях микроэлектроники вполне достаточны, чтобы сформировать отечественные компании, обеспечивающие разработку, производство и серийное сопровождение микроэлектронного технологического оборудования и расходных материалов в объемах, необходимых отечественным компаниям, серийно производящим полупроводники и радиоэлектронную аппаратуру».

Ясно, однако, что создание таких компаний, собственных “самсунгов” и “хуавеев”, не может быть спонтанным, так же как выстраивание всей пирамиды электроники. На примере Японии, Южной Кореи, Китая и Франции* видно, что это может быть результатом только планомерных государственных усилий, которые должны найти свое отражение в политике консолидации** национальной электронной промышленности и ее заказчиков, и в пирамиде планирования, параллельной пирамиде электроники, и в последовательной реализации этих планов, не важно, от российского “самсунга” к электронному машиностроению или наоборот. Если хотите, то для этого нужен, как говорят многие наши респонденты, капиталистический госплан, который увяжет решение отдельных частных задач с решением общей задачи развития России. Но это тема отдельной статьи.

 

*Когда правительство Франции решило повсеместно внедрить в стране кабельное телевидение, там решили, что многие миллионы приставок, которые должны стоять в каждой семье, сделает компания Thomson. В результате Thomson стала ведущим производителем электроники во Франции и одним из ведущих в мире. Аналогичным образом китайское правительство поддерживает компанию Huawei, которая стала ведущим производителем телекоммуникационного оборудования в мире.

 

**В Европе в конце 1990-х — начале 2000-х микроэлектроника бурно развивалась благодаря тому, что европейские страны, в первую очередь Франция и Германия, консолидировали большой пул заказов на оборудование и этим обеспечили себе возможность быстрого роста. А у нас каждое предприятие само за себя: самим бы просуществовать, куда уж тут кого-то еще финансировать.

 

 

 

ПОДВЕРСТКА1

 

Машины, которые Россия может создать

 

Фотолитография: от проекции к голографии

Уровень развития современной микрофотолитографии определяется в основном оптическим разрешением, обеспечиваемым самой фотолитографической установкой (степпером) и используемыми в процессе фотолитографии фотошаблонами (масками).

В настоящее время в микроэлектронике практически безраздельно господствует проекционная микрофотолитография.

Для компенсации дифракционных искажений, возникающих в оптике и усиливающихся по мере того, как в ходе микроминиатюризации характерные размеры элементов создаваемой топологии становятся близки к длине волны используемого излучения или даже меньше нее, приходится существенно корректировать рисунок маски, чтобы в результате экспозиции получить на фоторезисте (полимерном светочувствительном материале) заданную топологию. Когда эти элементы достигают величины дифракционного предела (это происходит на технологических уровнях 32 нм и меньше), дальнейшая микроминиатюризация может быть продолжена лишь путем использования нескольких масок для формирования топологии одного слоя.

Известно, что стоимость одного комплекта фотошаблонов для изготовления процессоров с технологическим уровнем 65 нм может превышать миллион долларов. А ведь сейчас уже ставится задача достижения технологических уровней 10 нм и меньше. Стоимость одной маски критического слоя в этом случае может составлять 250–300 тыс. долларов, а комплекта масок — до 10 млн долларов. В значительной мере эта стоимость определяется высочайшими требованиями к точности изготовления масок и минимизации количества и размеров допустимых дефектов.

Чрезвычайной сложностью и дороговизной отличаются и современные сканеры, используемые в проекционной литографии глубокого ультрафиолета. Проекционные объективы таких сканеров имеют высоту до 170 см, весят до 800 кг, состоят более чем из 40 чрезвычайно дорогих оптических элементов и требуют сложнейшей юстировки. К тому же теперь для увеличения разрешающей способности часто применяют иммерсионные объективы, в которых зазор между последней линзой объектива и фоторезистом заполняется жидкостью, что еще больше усложняет их конструкцию. В результате всех этих ухищрений стоимость современных сканеров достигает нескольких десятков миллионов долларов. Как заметил один специалист, степперы дорожали с той же скоростью, с какой дешевели транзисторы в чипах. В результате затраты на процесс фотолитографии достигают в себестоимости чипа 50%.

Но оказалось, что в России есть (теперь, скорее, «была») компания разработчиков, возглавляемая профессором Вадимом Раховским, которая предлагает радикально изменить литографический процесс, перейдя от проекционного принципа построения изображения к голографическому. В силу особенностей построения голографического изображения такое решение дает следующие преимущества:

1. на порядки снижаются требования к дефектности масок;

2. существенно упрощается технология их изготовления;

3. вообще отпадает необходимость использования чрезвычайно сложного и дорогостоящего проекционного объектива;

4. появляется возможность создания за одну экспозицию изображений высокого разрешения во многих плоскостях. Такая литография позволяет радикально упростить технологии изготовления датчиков и сенсоров, необходимых для «интернета вещей»;

5. радикально снижается стоимость литографической установки и комплекта масок.

Сама разработка технологии голографической литографии стала возможна благодаря решению ряда математических проблем, связанных с методами расчета голографических масок. Коллектив успешно развивает оригинальный подход, предложенный известным российским математиком профессором Владимиром Боровиковым, чего, несмотря на неоднократные попытки, раньше никому сделать не удавалось.

Сейчас ведется интенсивная разработка первого демонстратора, который должен доказать возможность создания высокоразрешающих 3D-структур на основе голографической литографии уже в начале 2017 года.

В силу финансовых проблем разработчики после многих лет поиска возможности реализации своих идей в России приняли предложение одного из лучших технологических инкубаторов Европы и перебрались в Швейцарию, где создана фирма Nanotech SWHL GmbH, организована лаборатория, найдено финансирование и есть все условия для скорейшей реализации предложенной технологии. Но, может быть, на них и в России обратят внимание*. 

 

*В одном из ближайших номеров «Эксперт» планирует опубликовать подробное интервью с Вадимом Раховским.

 

Травление

После проявления фоторезистивной маски наступает этап травления диэлектрика (диоксида кремния) с целью удаления его открытых участков и создания заданных структур — глубоких канавок и отверстий. В производстве полупроводниковых устройств логики используется метод сухого травления, называемого также плазменным, где используется ионизированный газ сложного химического состава. Такой метод обеспечивает прецизионный контроль процесса, а вытравливание происходит строго вертикально.

По окончании травления, когда вскрыты нужные области кремния, удаляется оставшийся фоторезист, и на кремниевой пластине остается трехмерная структура диоксида кремния. Именно этот вид травления диэлектрика, определяющего критические размеры структур, самый сложный в производстве полупроводниковых чипов.

Георгий Виноградов многие годы посвятил разработке передовых плазменных систем травления массовых микроэлектронных производств, работая в ряде ведущих японских компаний. В том числе самых передовых по техническому уровню уникальных узкозазорных индукционных машин, разработку и производство которых он считает возможным перенести в Россию.

Как заметил Владимир Бетелин, характеризуя Георгия Виноградова, «коротко говоря, это носитель документации и полного понимания того, как все это можно наладить в России». А группа компаний ЭСТО готова взять на себя разработку и изготовление опытных образцов этой машины. «Машина ключевая, — объясняет Владимир Бетелин, — и ее продажа России совершенно точно находится под большим запретом».

«Данная система, — поясняет Георгий Виноградов, — была создана в Японии, доведена до производственного уровня в ряде технологий совместно с крупнейшими японскими, корейскими и тайваньскими производителями полупроводниковых устройств, испытана на действующих производствах, затем была приобретена американской компанией LAM Research. Перенос этой технологии с привлечением оригинальных разработчиков — самый рентабельный способ воспроизведения и адаптации передового оборудования. Иных возможностей, тем более в отсутствие квалифицированных отечественных предприятий, имевшихся в СССР, сейчас нет».

В промышленности сейчас господствует один тип плазменных реакторов в критических системах травления диэлектриков: планарные узкозазорные емкостные реакторы, представляющие собой подобие плоского конденсатора, между электродами которого осуществляется высокочастотный разряд и генерируется химически активная плазма. Однако такие реакторы имеют существенные ограничения по диапазону реализуемых параметров плазмы.

В системе, которую предлагает Георгий Виноградов, используются индукционные реакторы, в которых плазма генерируется с помощью вихревого поля от катушки индуктивности, обладающие гораздо большим диапазоном параметров плазмы. Однако у этих реакторов есть существенный недостаток: они генерируют плазму в форме бублика: равномерно по кругу, но в центре — пусто. На помощь пришла идея матрешки. Если вложить один бублик в другой, большего размера, и так далее, то можно «засветить» дырку от бублика, осуществить равномерную генерацию плазмы по площади пластины, то есть по ее радиусу. Особое преимущество такого метода — возможность независимого прямого контроля плотности плазмы в каждой кольцевой зоне. Мечта любого технолога.

На преодоление технических сложностей оптимизации нового генератора плазмы и отработку технологий ушли годы. Но результат был достигнут и, по мнению западных специалистов, на сегодня эта концепция —единственная проверенная в массовом производстве альтернатива используемым системам травления не только диэлектриков, но и множества других материалов. Она позволяет достичь предельного диапазона и уровня параметров плазмы.

 

Имплантация (диффузия)

Напомним, что процесс травления, используемый для формирования необходимого рисунка на кремниевой подложке, требовался для того, чтобы создать в нужных местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной или акцепторной примеси. Процесс внедрения примесей осуществляется посредством диффузии — равномерного внедрения атомов примеси в кристаллическую решетку кремния.

Для процесса диффузии легирующей примеси применяется ионная имплантация. Суть ее в том, что ионы нужной примеси «выстреливаются» из высоковольтного ускорителя и, обладая достаточной энергией, проникают в поверхностные слои кремния.

«Имплантор — одна из сложнейших систем в производстве микроэлектроники, — поясняет генеральный директор НПП ЭСТО Виталий Разумов. — Сегодня в России производства собственной ионной имплантации нет. Но разработка и производство отечественного имплантера возможны, поскольку у нас есть специалисты, которые имеют опыт глубокой модернизации старых российских и даже современных импортных установок. И наша компания готова взяться за его разработку, тем более что в России есть фирма “Римас”, которая производит источники ионов, один из ключевых узлов. Физику процесса еще понимают в НИИ вакуумной техники имени Векшинского, когда-то ведущего разработчика таких систем, понимают специалисты группы компаний ЭСТО. Самое сложное — устройство сканирования ионного пучка. Здесь надо искать и привлекать специалистов, может быть даже иностранных. А можно пойти путем копирования западных образцов».

 

 

ПОДВЕРСТКА 2

 

Альтернатива для России

Возрождение такой сложнейшей отрасли, как электронное машиностроение, не может, по мнению академика Владимира Бетелина, находиться в отрыве от экономической политики.

 

Проблема импортозамещения, а точнее, импортозависимости экономики России, обсуждаемая на уровне высшего руководства страны, порождена реализуемой уже более двадцати лет моделью экономического развития страны — и в рамках этой модели не может быть решена. В рамках этой модели первоочередная проблема, которая решается государством, — развитие и укрепление в России финансовой системы и ее институтов, а не реального сектора экономики.

 

Давление финансовой модели

Финансовый сектор экономики в России является ведущим, доминирующим по отношению к реальному. Развитие реального сектора вторичная проблема для государства. Как следствие, основным критерием эффективности предприятий всего реального сектора экономики, включая информационно-технологическую (ИТ) отрасль, становится финансовая, а не технологическая конкурентоспособность, финансовые, а не технологические инновации, и не создание нового продукта с высокой добавленной стоимостью.

Типичный пример таких инноваций в ИТ-отрасли — отверточная сборка «отечественной» вычислительной и коммуникационной техники из узлов зарубежных производителей (HP, Cisco, Intel, AMD, Huawei) или узлов, изготовленных в России на основе ключевых компонентов с высокой добавленной стоимостью (микропроцессор) зарубежных компаний. Эта продукция, выпускаемая отечественными ИТ-компаниями, конечно, ни технически, ни экономически не адекватна аналогичной продукции компаний — лидеров глобального радиоэлектронного рынка. Очевидно, что выпуск адекватной отечественной радиоэлектронной продукции такого уровня могут обеспечить только отечественные компании уровня Intel, HP, Cisco.

Однако в результате почти 25-летних экономических реформ в России такие отечественные компании — лидеры глобальных рынков не были созданы, и нет никаких предпосылок для их создания в обозримом будущем.

Этой идеологии реформ соответствует и «Стратегия развития отрасли информационных технологий в Российской Федерации на 2014–2020 годы и на перспективу до 2025 года», и проект государственной программы «Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности на 2013–2025 годы».

В рамках этой идеологии импортозависимость России в части высокотехнологичных продуктов массового спроса — нормальное состояние, а импортозамещение — действительно надуманная проблема, не имеющая решения. Что, собственно, и утверждают сторонники этой модели развития.

Для сравнения: в Китае, где еще недавно не было высокотехнологичной промышленности, уже не стоит на повестке дня проблема импортозамещения вычислительной и коммуникационной техники. Китайская компания Huawei Technologies, созданная в 1987 году, стала признанным лидером мирового рынка телекоммуникационного оборудования. Ее оборот в 2012 году составил 46,5 млрд долларов, а численность персонала — 170 тыс. человек.

Еще один пример — китайская Lenovo, основанная в 1984 году. Доля этой компании на рынке компьютеров в 2015 году достигла 21,3 процента, оборот в 2014 году — 42,7 млрд долларов, а численность персонала — около 60 тыс. человек.

Успех этих компаний на глобальных рынках высокотехнологичной продукции — наглядный результат прямой экономической и политической поддержки Китаем реального сектора экономики с целью создания национальных высокотехнологичных продуктов с высокой добавленной стоимостью.

 

Нужна альтернативная модель

Сейчас в мире торжествует модель массового производства высокотехнологичных короткоживущих продуктов на основе стратегии, как я ее называю, «двойного сокращения». В эту стратегию вписались и китайские компании.

Эта стратегия заключается в том, что сегодняшние лидеры глобальных мировых рынков выпускают короткоживущие (один-три года) высокотехнологичные товары массового спроса. Эта стратегия также включает себя меры рыночного и внерыночного принуждения потребителя к приобретению нового продукта взамен старого. Например, за счет повышения стоимости запасных частей и ремонта изделий после трех лет эксплуатации до величин, сопоставимых с их исходной стоимостью.

Уже сегодня очевидны экологические и энергетические проблемы этой модели развития — огромная энергоемкость массовых производств, необходимость утилизации стремительно растущей массы поступающих в эксплуатацию автомобилей, телевизоров, компьютеров, включая мобильные, мобильных телефонов и так далее.

Российской альтернативой этой модели технологического и экономического развития должна быть, на мой взгляд, модель развития России на основе глобальных рынков долгоживущих изделий высокой надежности и готовности.

К ним, очевидно, относится продукция таких стратегических отраслей, как авиационно-космический комплекс, тяжелое, энергетическое и транспортное машиностроение, атомное энергетическое машиностроение, судостроение, оборонно-промышленный комплекс. Это дорогостоящие изделия, продажа которых на мировом рынке наряду с энергоносителями может обеспечить финансовые потоки, достаточные для устойчивого социально-экономического развития страны.

В рамках этой модели российская ИТ-отрасль должна быть нацелена не на завоевание какой-либо доли глобальных мировых рынков массовой ИТ-продукции, а на стимулирование технологического развития указанных стратегических отраслей России, обеспечивая тем самым их лидерство на мировых рынках.

То есть реальной альтернативой для российской ИТ-отрасли является модель развития на основе потребностей внутреннего национального высокотехнологичного рынка и национальной технологической базы, эквивалентной этим потребностям.

 

Владимир Бетелин, академик РАН, научный руководитель НИИСИ РАН

 *Когда правительство Франции решило повсеместно внедрить в стране кабельное телевидение, там решили, что многие миллионы приставок, которые должны стоять в каждой семье, сделает компания Thomson. В результате Thomson стала ведущим производителем электроники во Франции и одним из ведущих в мире. Аналогичным образом китайское правительство поддерживает компанию Huawei, которая стала ведущим производителем телекоммуникационного оборудования в мире.

 

**В Европе в конце 1990-х — начале 2000-х микроэлектроника бурно развивалась благодаря тому, что европейские страны, в первую очередь Франция и Германия, консолидировали большой пул заказов на оборудование и этим обеспечили себе возможность быстрого роста. А у нас каждое предприятие само за себя: самим бы просуществовать, куда уж тут кого-то еще финансировать.

 

 

Машины, которые Россия может создать

 

 

Фотолитография: от проекции к голографии

Уровень развития современной микрофотолитографии определяется в основном оптическим разрешением, обеспечиваемым самой фотолитографической установкой (степпером) и используемыми в процессе фотолитографии фотошаблонами (масками).

В настоящее время в микроэлектронике практически безраздельно господствует проекционная микрофотолитография.

Для компенсации дифракционных искажений, возникающих в оптике и усиливающихся по мере того, как в ходе микроминиатюризации характерные размеры элементов создаваемой топологии становятся близки к длине волны используемого излучения или даже меньше нее, приходится существенно корректировать рисунок маски, чтобы в результате экспозиции получить на фоторезисте (полимерном светочувствительном материале) заданную топологию. Когда эти элементы достигают величины дифракционного предела (это происходит на технологических уровнях 32 нм и меньше), дальнейшая микроминиатюризация может быть продолжена лишь путем использования нескольких масок для формирования топологии одного слоя.

Известно, что стоимость одного комплекта фотошаблонов для изготовления процессоров с технологическим уровнем 65 нм может превышать миллион долларов. А ведь сейчас уже ставится задача достижения технологических уровней 10 нм и меньше. Стоимость одной маски критического слоя в этом случае может составлять 250–300 тыс. долларов, а комплекта масок — до 10 млн долларов. В значительной мере эта стоимость определяется высочайшими требованиями к точности изготовления масок и минимизации количества и размеров допустимых дефектов.

Чрезвычайной сложностью и дороговизной отличаются и современные сканеры, используемые в проекционной литографии глубокого ультрафиолета. Проекционные объективы таких сканеров имеют высоту до 170 см, весят до 800 кг, состоят более чем из 40 чрезвычайно дорогих оптических элементов и требуют сложнейшей юстировки. К тому же теперь для увеличения разрешающей способности часто применяют иммерсионные объективы, в которых зазор между последней линзой объектива и фоторезистом заполняется жидкостью, что еще больше усложняет их конструкцию. В результате всех этих ухищрений стоимость современных сканеров достигает нескольких десятков миллионов долларов. Как заметил один специалист, степперы дорожали с той же скоростью, с какой дешевели транзисторы в чипах. В результате затраты на процесс фотолитографии достигают в себестоимости чипа 50%.

Но оказалось, что в России есть (теперь, скорее, «была») компания разработчиков, возглавляемая профессором Вадимом Раховским, которая предлагает радикально изменить литографический процесс, перейдя от проекционного принципа построения изображения к голографическому. В силу особенностей построения голографического изображения такое решение дает следующие преимущества:

1. на порядки снижаются требования к дефектности масок;

2. существенно упрощается технология их изготовления;

3. вообще отпадает необходимость использования чрезвычайно сложного и дорогостоящего проекционного объектива;

4. появляется возможность создания за одну экспозицию изображений высокого разрешения во многих плоскостях. Такая литография позволяет радикально упростить технологии изготовления датчиков и сенсоров, необходимых для «интернета вещей»;

5. радикально снижается стоимость литографической установки и комплекта масок.

Сама разработка технологии голографической литографии стала возможна благодаря решению ряда математических проблем, связанных с методами расчета голографических масок. Коллектив успешно развивает оригинальный подход, предложенный известным российским математиком профессором Владимиром Боровиковым, чего, несмотря на неоднократные попытки, раньше никому сделать не удавалось.

Сейчас ведется интенсивная разработка первого демонстратора, который должен доказать возможность создания высокоразрешающих 3D-структур на основе голографической литографии уже в начале 2017 года.

В силу финансовых проблем разработчики после многих лет поиска возможности реализации своих идей в России приняли предложение одного из лучших технологических инкубаторов Европы и перебрались в Швейцарию, где создана фирма Nanotech SWHL GmbH, организована лаборатория, найдено финансирование и есть все условия для скорейшей реализации предложенной технологии. Но, может быть, на них и в России обратят внимание*.

 

*В одном из ближайших номеров «Эксперт» планирует опубликовать подробное интервью с Вадимом Раховским.

 

Травление

После проявления фоторезистивной маски наступает этап травления диэлектрика (диоксида кремния) с целью удаления его открытых участков и создания заданных структур — глубоких канавок и отверстий. В производстве полупроводниковых устройств логики используется метод сухого травления, называемого также плазменным, где используется ионизированный газ сложного химического состава. Такой метод обеспечивает прецизионный контроль процесса, а вытравливание происходит строго вертикально.

По окончании травления, когда вскрыты нужные области кремния, удаляется оставшийся фоторезист, и на кремниевой пластине остается трехмерная структура диоксида кремния. Именно этот вид травления диэлектрика, определяющего критические размеры структур, самый сложный в производстве полупроводниковых чипов.

Георгий Виноградов многие годы посвятил разработке передовых плазменных систем травления массовых микроэлектронных производств, работая в ряде ведущих японских компаний. В том числе самых передовых по техническому уровню уникальных узкозазорных индукционных машин, разработку и производство которых он считает возможным перенести в Россию.

Как заметил Владимир Бетелин, характеризуя Георгия Виноградова, «коротко говоря, это носитель документации и полного понимания того, как все это можно наладить в России». А группа компаний ЭСТО готова взять на себя разработку и изготовление опытных образцов этой машины. «Машина ключевая, — объясняет Владимир Бетелин, — и ее продажа России совершенно точно находится под большим запретом».

«Данная система, — поясняет Георгий Виноградов, — была создана в Японии, доведена до производственного уровня в ряде технологий совместно с крупнейшими японскими, корейскими и тайваньскими производителями полупроводниковых устройств, испытана на действующих производствах, затем была приобретена американской компанией LAM Research. Перенос этой технологии с привлечением оригинальных разработчиков — самый рентабельный способ воспроизведения и адаптации передового оборудования. Иных возможностей, тем более в отсутствие квалифицированных отечественных предприятий, имевшихся в СССР, сейчас нет».

В промышленности сейчас господствует один тип плазменных реакторов в критических системах травления диэлектриков: планарные узкозазорные емкостные реакторы, представляющие собой подобие плоского конденсатора, между электродами которого осуществляется высокочастотный разряд и генерируется химически активная плазма. Однако такие реакторы имеют существенные ограничения по диапазону реализуемых параметров плазмы.

В системе, которую предлагает Георгий Виноградов, используются индукционные реакторы, в которых плазма генерируется с помощью вихревого поля от катушки индуктивности, обладающие гораздо большим диапазоном параметров плазмы. Однако у этих реакторов есть существенный недостаток: они генерируют плазму в форме бублика: равномерно по кругу, но в центре — пусто. На помощь пришла идея матрешки. Если вложить один бублик в другой, большего размера, и так далее, то можно «засветить» дырку от бублика, осуществить равномерную генерацию плазмы по площади пластины, то есть по ее радиусу. Особое преимущество такого метода — возможность независимого прямого контроля плотности плазмы в каждой кольцевой зоне. Мечта любого технолога.

На преодоление технических сложностей оптимизации нового генератора плазмы и отработку технологий ушли годы. Но результат был достигнут и, по мнению западных специалистов, на сегодня эта концепция —единственная проверенная в массовом производстве альтернатива используемым системам травления не только диэлектриков, но и множества других материалов. Она позволяет достичь предельного диапазона и уровня параметров плазмы.

 

Имплантация (диффузия)

Напомним, что процесс травления, используемый для формирования необходимого рисунка на кремниевой подложке, требовался для того, чтобы создать в нужных местах полупроводниковые структуры путем внедрения донорной или акцепторной примеси. Процесс внедрения примесей осуществляется посредством диффузии — равномерного внедрения атомов примеси в кристаллическую решетку кремния.

Для процесса диффузии легирующей примеси применяется ионная имплантация. Суть ее в том, что ионы нужной примеси «выстреливаются» из высоковольтного ускорителя и, обладая достаточной энергией, проникают в поверхностные слои кремния.

«Имплантор — одна из сложнейших систем в производстве микроэлектроники, — поясняет генеральный директор НПП ЭСТО Виталий Разумов. — Сегодня в России производства собственной ионной имплантации нет. Но разработка и производство отечественного имплантера возможны, поскольку у нас есть специалисты, которые имеют опыт глубокой модернизации старых российских и даже современных импортных установок. И наша компания готова взяться за его разработку, тем более что в России есть фирма “Римас”, которая производит источники ионов, один из ключевых узлов. Физику процесса еще понимают в НИИ вакуумной техники имени Векшинского, когда-то ведущего разработчика таких систем, понимают специалисты группы компаний ЭСТО. Самое сложное — устройство сканирования ионного пучка. Здесь надо искать и привлекать специалистов, может быть даже иностранных. А можно пойти путем копирования западных образцов».

Альтернатива для России

Возрождение такой сложнейшей отрасли, как электронное машиностроение, не может, по мнению академика Владимира Бетелина, находиться в отрыве от экономической политики.

Проблема импортозамещения, а точнее, импортозависимости экономики России, обсуждаемая на уровне высшего руководства страны, порождена реализуемой уже более двадцати лет моделью экономического развития страны — и в рамках этой модели не может быть решена. В рамках этой модели первоочередная проблема, которая решается государством, — развитие и укрепление в России финансовой системы и ее институтов, а не реального сектора экономики.

Давление финансовой модели

Финансовый сектор экономики в России является ведущим, доминирующим по отношению к реальному. Развитие реального сектора вторичная проблема для государства. Как следствие, основным критерием эффективности предприятий всего реального сектора экономики, включая информационно-технологическую (ИТ) отрасль, становится финансовая, а не технологическая конкурентоспособность, финансовые, а не технологические инновации, и не создание нового продукта с высокой добавленной стоимостью.

Типичный пример таких инноваций в ИТ-отрасли — отверточная сборка «отечественной» вычислительной и коммуникационной техники из узлов зарубежных производителей (HP, Cisco, Intel, AMD, Huawei) или узлов, изготовленных в России на основе ключевых компонентов с высокой добавленной стоимостью (микропроцессор) зарубежных компаний. Эта продукция, выпускаемая отечественными ИТ-компаниями, конечно, ни технически, ни экономически не адекватна аналогичной продукции компаний — лидеров глобального радиоэлектронного рынка. Очевидно, что выпуск адекватной отечественной радиоэлектронной продукции такого уровня могут обеспечить только отечественные компании уровня Intel, HP, Cisco.

Однако в результате почти 25-летних экономических реформ в России такие отечественные компании — лидеры глобальных рынков не были созданы, и нет никаких предпосылок для их создания в обозримом будущем.

Этой идеологии реформ соответствует и «Стратегия развития отрасли информационных технологий в Российской Федерации на 2014–2020 годы и на перспективу до 2025 года», и проект государственной программы «Развитие электронной и радиоэлектронной промышленности на 2013–2025 годы».

В рамках этой идеологии импортозависимость России в части высокотехнологичных продуктов массового спроса — нормальное состояние, а импортозамещение — действительно надуманная проблема, не имеющая решения. Что, собственно, и утверждают сторонники этой модели развития.

Для сравнения: в Китае, где еще недавно не было высокотехнологичной промышленности, уже не стоит на повестке дня проблема импортозамещения вычислительной и коммуникационной техники. Китайская компания Huawei Technologies, созданная в 1987 году, стала признанным лидером мирового рынка телекоммуникационного оборудования. Ее оборот в 2012 году составил 46,5 млрд долларов, а численность персонала — 170 тыс. человек.

Еще один пример — китайская Lenovo, основанная в 1984 году. Доля этой компании на рынке компьютеров в 2015 году достигла 21,3 процента, оборот в 2014 году — 42,7 млрд долларов, а численность персонала — около 60 тыс. человек.

Успех этих компаний на глобальных рынках высокотехнологичной продукции — наглядный результат прямой экономической и политической поддержки Китаем реального сектора экономики с целью создания национальных высокотехнологичных продуктов с высокой добавленной стоимостью.

Нужна альтернативная модель

Сейчас в мире торжествует модель массового производства высокотехнологичных короткоживущих продуктов на основе стратегии, как я ее называю, «двойного сокращения». В эту стратегию вписались и китайские компании.

Эта стратегия заключается в том, что сегодняшние лидеры глобальных мировых рынков выпускают короткоживущие (один-три года) высокотехнологичные товары массового спроса. Эта стратегия также включает себя меры рыночного и внерыночного принуждения потребителя к приобретению нового продукта взамен старого. Например, за счет повышения стоимости запасных частей и ремонта изделий после трех лет эксплуатации до величин, сопоставимых с их исходной стоимостью.

Уже сегодня очевидны экологические и энергетические проблемы этой модели развития — огромная энергоемкость массовых производств, необходимость утилизации стремительно растущей массы поступающих в эксплуатацию автомобилей, телевизоров, компьютеров, включая мобильные, мобильных телефонов и так далее.

Российской альтернативой этой модели технологического и экономического развития должна быть, на мой взгляд, модель развития России на основе глобальных рынков долгоживущих изделий высокой надежности и готовности.

К ним, очевидно, относится продукция таких стратегических отраслей, как авиационно-космический комплекс, тяжелое, энергетическое и транспортное машиностроение, атомное энергетическое машиностроение, судостроение, оборонно-промышленный комплекс. Это дорогостоящие изделия, продажа которых на мировом рынке наряду с энергоносителями может обеспечить финансовые потоки, достаточные для устойчивого социально-экономического развития страны.

В рамках этой модели российская ИТ-отрасль должна быть нацелена не на завоевание какой-либо доли глобальных мировых рынков массовой ИТ-продукции, а на стимулирование технологического развития указанных стратегических отраслей России, обеспечивая тем самым их лидерство на мировых рынках.

То есть реальной альтернативой для российской ИТ-отрасли является модель развития на основе потребностей внутреннего национального высокотехнологичного рынка и национальной технологической базы, эквивалентной этим потребностям.

Владимир Бетелин, академик РАН, научный руководитель НИИСИ РАН