Совсем недавно - в первых числах октября, в России состоялся международный Форум по нанотехнологиям Rusnanotech 2009. Для участия в Форуме в Москву прибыли многие учёные, биографии и свершения которых стали легендой при их жизни.
Яна Бородовского, старшего заслуженного исследователя, директора направления перспективной литографии и обладателя уникального почётного титула Senior Fellow корпорации Intel, можно без преувеличения назвать живой легендой, хотя до сих пор имя его было малоизвестным российскому читателю. Мы восполняем этот пробел и сегодня предлагаем вниманию читателей 3DNews материал по мотивам беседы с Яном Бородовским, где он рассказывает о своей судьбе, о работе в Intel, о сегодняшнем, завтрашнем и послезавтрашнем дне полупроводниковой литографии.
Из автобиографии Яна Бородовского
Я родился в Харькове, вырос в Киеве, где закончил специальную школу №45 с физическим уклоном. В 18 лет поступил на работу в Институт Физики, а параллельно с этим заочно учился в Тульском политехническом институте. По окончании института год отслужил в армии и вернулся назад. Институт к тому времени разделился, и я продолжил работать в его части, которая называлась Институт ядерных исследований Украинской академии наук. Там я занимался проблематикой физики твердого тела, в частности, спектрометрами ядерных излучений.
В 1979 году мне с семьей пришлось уехать из Советского Союза, точнее - нас к этому вынудили, и мы перебрались в США. Там мне просто невероятно повезло, я практически не знал английского языка, но случайно нашел работу по специальности через газету. Работа оказалась очень интересной: я участвовал в создании новых материалов для преобразования тепла в электричество на спутниках. Один из таких материалов установлен на спутнике "Галилео".
Около трех лет я занимался наукой, встречался с очень интересными людьми, но для того, чтобы заработать достаточно денег для содержания семьи, я решил перейти на работу в промышленность. Когда живешь в стране, где есть много возможностей заработать деньги, в конце концов, приходишь выводу, что это нужно сделать.
Моим знаниям и квалификации более всего подходила электронная индустрия. Я довольно быстро нашел хорошее место, хотя начинать приходилось в той области, где я очень мало что знал. Но мне опять повезло: большинство американцев - эмигранты во втором или третьем поколении, поэтому они очень тепло относятся к таким же эмигрантам и стараются им помогать. С тех пор я больше 25 лет работаю в компьютерной индустрии и 22 года - в корпорации Intel. Честно говоря, я очень рад, что ушел из академии и все эти годы проработал в индустрии, потому что эта работа для взрослых людей - с новыми людьми, с новыми материалами и новыми принципами. На мой взгляд, любой человек, занимающийся наукой и техникой, в какой-то момент должен заняться техникой, чтобы после него осталось что-то действительно реальное, а не просто записи на бумаге.
В корпорации Intel у меня сразу две должности. Одна из них - директор направления перспективной (advanced) литографии. Суть моей работы в том, что я определяю не только сегодняшние технические решения в области литографии, но и то, какие технологические направления будут перспективными в будущем, иногда на 6-8 лет вперед. Это важно, потому что цикл создания новой аппаратуры и новых материалов может длиться от четырех до шести лет. Мне хочется подчеркнуть, что английское слово "to direct" означает "направлять", а не "руководить", поэтому работа моя скорее "направленческая", а не руководящая.
Вторая моя работа определяется моим званием "Intel Senior Fellow". Это самая высокая техническая должность в Intel, я думаю она соответствует старшему вице-президенту на уровне менеджмента. Это звание дается в качестве признания заслуг человека, по важности вклада, который он внес в реальное развитие компании.
3DNews.ru: Давайте начнем с цели вашего визита в Россию.
Я. Бородовский: Меня пригласили участвовать в двух Форумах. Первый прошел в Санкт-Петербурге, где я прочел доклад о роли нанотехнологий в информатике для очень широкой аудитории специалистов, занимающихся, как наукой, так и более глобальными проблемами общества. В Москве меня пригласили прочитать два доклада на Форуме, который организует компания "Роснанотех". Также я очень рад, что мне удалось встретиться с представителями российского сайта Intel и пообщаться с ними.
Кроме того, компания Intel в течение нескольких лет финансирует определенные исследовательские работы в Институте неорганической химии имени Зелинского при Академии наук РФ и МГУ им. Ломоносова. Я встречался с участниками этих работ и обсуждал с ними интересующие нас темы. Это исследовательские работы. Компания Intel существенную часть своих исследований делает руками и умами ученых из российских и других университетов. Мы всегда стараемся выбрать самых лучших экспертов во всем мире. В России очень хорошие фотохимики, поэтому мы работаем с ними.
3DNews.ru: Когда в Intel произошел переход на иммерсионную литографию?
Я. Бородовский: Чипы по технологии 45 нанометров делались с помощью сухой литографии, а 32 нанометра - уже с помощью иммерсионной.
3DNews.ru: Расскажите поподробнее, что такое иммерсионная литография и почему произошел переход именно к ней.
Я. Бородовский: Вы знаете, вся компьютерная отрасль стремилась перейти на иммерсионную литографию так быстро, как это казалось возможным. Наши особенно торопливые конкуренты перешли на нее уже на 65 нанометрах, по крайней мере, они говорили об этом. Очень многие перешли на 45 нанометрах. Intel продолжать выпускать чипы по технологическим процессам 65 и 45 нанометров с помощью сухой литографии, потому что она намного дешевле, чем иммерсионная, процентов на 30. Эта задержка позволила нам сэкономить немало денег.
Мы хотели остаться на сухой литографии и на 32 нанометрах, но тогда мы остались бы единственной компании в мире, кто делает это. Нашим подрядчикам, которые создают для нас аппаратуру, пришлось бы изготавливать уникальные устройства, а это всегда плохо. Лучше быть частью "мейнстрима". Именно эти соображения стали основным аргументом для перехода на иммерсионную литографию. Действительно, она дороже, но при этом обладает большим запасом прочности. Сухая литография на 32 нанометрах работала бы уже на пределе своих возможностей.
Рассказывая о процессе литографии, стоит вспомнить уже подзабытый процесс обычной фотографии. Кто-то, может быть, даже помнит, как в темной комнате в специальный увеличитель вставляли пленку, пускали свет и он, проходя через пленку, доносил изображение до фотобумаги. Так получалась фотография. таким же образом действует сухая литография.
Если на пути света между линзой и фотобумагой поместить воду, то мы получаем иммерсионную литографию (от английского to immerse - погружать). У воды достаточно большой коэффициент преломления - 1,44 для длины волны 193 нм, поэтому она и была выбрана в качестве иммерсионной среды. Использование воды позволяет на 44% повысить разрешение всех используемых в процессе линз.
Как создаются микропроцессоры
Микропроцессор - это интегральная схема, сформированная на поверхности тонких круговых пластин кремния - подложках, в результате определенной последовательности различных процессов обработки с использованием химических препаратов, газов и ультрафиолетового излучения.
Процесс производства микропроцессора начинается с "выращивания" на поверхности отполированной пластины изоляционного слоя диоксида кремния. Потом на этом слое надо "нарисовать" сложную схему электрических соединений, представляющих собой структуру процессора. Делается это с помощью фотолитографии. Причем, современные процессоры состоят не из одного, а из 8-9 слоев!
Сначала на пластину наносят временный слой светочувствительного материала - фотослой. Затем его освещают ультрафиолетовым излучением через специальный шаблон с прозрачными участками, который называется фотомаской. Маски изготавливают при проектировании процессора и используют для формирования рисунков схем в каждом слое процессора. Под воздействием излучения засвеченные участки фотослоя становятся растворимыми, и их удаляют с помощью растворителя, открывая находящийся под ними диоксид кремния. Открытый диоксид кремния удаляют с помощью процесса, который называется "травлением". Затем убирают оставшийся фотослой, в результате чего на полупроводниковой пластине остается рисунок из диоксида кремния.
Колоссальная сложность этого этапа состоит в том, что длина волны ультрафиолетового излучения - 193 нанометра, а выжигать с его помощью надо полосы размером в десяток нанометров. Поэтому излучение перед тем, как дойти до кремния, проходит через сложную оптическую систему.
В результате ряда дополнительных операций фотолитографии и травления на пластину наносят также поликристаллический кремний, обладающий свойствами проводника. В ходе следующей операции, называемой "легированием", открытые участки кремниевой пластины бомбардируют ионами различных химических элементов, которые формируют в кремнии отрицательные и положительные заряды, изменяющие электрическую проводимость этих участков.
Наложение новых слоев с последующим травлением схемы осуществляется несколько раз, при этом для межслойных соединений в слоях оставляются "окна", которые заполняют металлом, формируя электрические соединения между слоями. Каждый слой процессора имеет свой собственный рисунок, в совокупности все эти слои образуют трехмерную электронную схему. Нанесение слоев повторяют 20 - 25 раз в течение нескольких недель. В результате на поверхности пластины образуются настоящие "небоскребы" из нанесенных слоев.
3DNews.ru: Какие сложности возникают при переходе к иммерсионной литографии?
Я. Бородовский: Прежде всего, любой пузырек газа в воде будет создавать искажение образа, который вы стремитесь получить. Были предприняты очень серьезные инженерные усилия, чтобы научиться убирать газы из воды.
Второй непростой проблемой было создание специальных фотоматериалов, которые не загрязняли бы воду примесями при соприкосновении с ней. Эти примеси не только загрязняли бы воду, но и могли осаждаться на линзу и таким образом ухудшать качество изображения.
Третьей проблемой было то, что на самом деле изображение формируется не статично (как в фотоувеличителе): в нашем примере фотобумага движется по отношению к линзе со скоростью 600 миллиметров в минуту, а плёнка - в четыре раза быстрее. Вода, смачивающая чувствительный фотослой на кремниевой пластине, может оставлять на нем капельки, которые при высыхании оставляют следы и могут сделать пластину непригодной к дальнейшему использованию. Очень важно было подобрать такие фотоматериалы, которые не давали бы образовываться таким капелькам. Это была очень непростая проблема, но и она была решена.
Четвертая проблема была связана с тем, что поток света, проходящий через воду, испаряет некоторое её количество. Испаряющаяся вода отбирает некоторое количество тепла у кремниевой пластины, что может исказить размеры верхнего слоя пластины и его положение по отношению к нижним слоям. Но и эта сложная техническая проблема была успешно решена, причем в рекордно короткие сроки.
На мой взгляд, за счет того, что компания Intel не торопилась с внедрением иммерсионной технологии и подождала 3-4 года, эта технология успешно развилась и стала надежной и отлаженной. Мы позволили другим компаниям стать пионерами в этом направлении (как говорит американская пословица "первопроходцев всегда узнают по стрелам в задней части тела") и избежали многих хлопот и проблем.
3DNews.ru: И сколько технологических поколений процессоров будут использовать эту схему иммерсионной литографии?
Я. Бородовский: История показывает, что каждая новая литографическая технология живет как минимум три поколения. Поэтому, я думаю, иммерсионная технология в современном варианте будет работать для 32, 22 и 15 нанометров.
3DNews.ru: Разрабатываете ли вы что-то новое для следующих технологических процессов?
Я. Бородовский: Конечно. "Дорожная карта" (Roadmap) для процессоров Intel всегда насчитывает 5 поколений, мы всегда стараемся смотреть на 10 лет вперед. Такое прогнозирование - очень непростой процесс, поскольку одновременно приходится решать и технические, и экономические задачи. Очень сложно чётко угадать, что будет более выгодно - найти новое решение при старой технологии и таким образом избежать рисков и минимизировать стоимость, или разработать кардинально новую технологию. Поэтому Intel всегда ведет работы в двух направления параллельно, стараясь продлить жизнь существующей технологии и одновременно разрабатывая новые пути. Наша литография с длиной волны 193 нанометра - это старая технология, жизнь которой мы продлили, сделав ее иммерсионной.
Два пути, по которым мы сейчас работаем - это литография с более короткими длинами волн, и литография с делением шага. Какой путь окажется более успешным, как с технологической, так и с экономической точки зрения (что не менее важно), мы пока не знаем. Решение должно быть принято в 2012 году, чтобы у нас было еще года три для доведения всех технических деталей до готовности к массовому производству. И в 2015 году начнет работать новая литографическая схема.
3DNews.ru: Расскажите поподробнее о двух этих путях.
Я. Бородовский: Первый путь - это использование длин волн в десять раз меньше, чем современные 193 нанометра. Эффективная длина волны в иммерсионной литографии равна 193/1,44 = 134 нм, а у нового излучения – 13,5 нанометров. Понятно, что при более короткой длине волны будет лучшее разрешение, правда, по чисто техническим причинам выигрыш будет не в 10 раз, а в пять. Такая литография называется EUV - Extreme Ultraviolet, то есть сверхжесткое ультрафиолетовое излучение. Так как свет с длиной волны 13,5 нм поглощается всеми материалами, в том числе стеклом, из которого изготавливаются традиционные линзы, в EUV-литографии используется полностью отражающая оптика, а не пропускающая. Маски, которые традиционно являются пропускающими, также должны быть отражающими. Кроме того, вся система должна находиться в вакууме, так как световые волны диапазона EUV поглощаются воздухом. Это только несколько примеров проблем, которые нужно решить для начала массового производства компонентов на базе EUV-литографии.
Качество зеркал в EUV-литографии должно быть очень высоким на достаточно большой площади - до 300 мм в диаметре. Шероховатости не могут превышать один нанометр. При малейшем слое примеси на таких зеркалах качество изображения падает очень быстро. Именно по этой причине и необходим вакуум.
Еще одна проблема для EUV-литографии - это большая мощность источника излучения, которая приводит к очень серьезным термическим эффектам. Дело в том, что коэффициент преобразования лазерного излучения в мягкий рентген довольно маленький, поэтому надо будет рассеивать огромные тепловые потоки. Чтобы получить 100 Вт излучения EUV, надо закачать 40 кВт инфракрасного излучения. Отвод такого количества тепла - сложная инженерная задача. Именно поэтому мы пока и не можем ничего сказать с полной уверенностью о будущем этой технологии.
Если продолжать работать с излучением 193 нанометра, то к 2013-2015 годам его разрешения уже не будет хватать. Единственная возможность продолжать работать в этом направлении - это взять существующий дизайн и разбить его на две части. Каждая из частей будет делаться отдельно, но стоимость процесса при таком подходе может несколько возрасти.
Итак, один путь нам понятен, но он дороже, другой - может быть дешевле, но пока не совсем понятно, возможно ли его реализовывать в нужное время, но это, как я уже говорил, привычная ситуация.
3DNews.ru: А почему в качестве жидкости в иммерсионной литографии выбрана именно вода, а не какое-нибудь масло?
Я. Бородовский: Пробовали не только масло, но и множество других жидкостей. Вода была выбрана по целому ряду своих качеств. Одно из важных - это температурная зависимость коэффициента преломления, у воды она лучше, чем у масла.
Была найдена еще одна очень хорошая жидкость - растворенный в воде оксид гафния, это тот самый high-k диэлектрик. Из него научились делать монодисперсные нанокристаллы размером около двух нанометров, их можно растворить в воде до концентрации 70%. В таком растворе коэффициент преломления получается около 1,7. Но при её использовании могут возникнуть проблемы с вредностью для окружающей среды и участников производственного процесса.
В общем, было проведено много опытов и проверок, и вода оказалась самой подходящей жидкостью.
3DNews.ru: Понятно, что ситуация до 2015 года у вас продумана и распланирована, а работаете ли вы над более далекой перспективой?
Я. Бородовский: Если работать с длиной волны 193 нанометра, то, как я уже говорил, в 2013-2015 годах можно перейти к делению маски на две части, а еще через какое-то время - на четыре части. Тогда мы сможем работать по этой технологии и до 2021 года.
3DNews.ru: Скажите несколько слов о проектах, которыми занимаетесь лично вы.
Я. Бородовский: Я обычно одновременно работаю над несколькими проектами. Один из них должен принести конкретные результаты в ближайшие год-два, другой будет завершен лет через шесть-восемь и третий - в промежутке между ними. Все они одинаково мне интересны, и я люблю их как собственных детей, просто один из них "совсем младенец", а другой уже "пошел в школу".
Самый "юный" проект заключается в том, что к 2019 году важно будет понять - можно ли существенно удешевить производство чипов. Я считаю, что такая возможность есть при сохранении постоянного уменьшения их размеров. Для этого надо разрешить наличие некоторого количества дефектов в наших чипах. Сейчас таких дефектов практически нет, может быть один на сто миллиардов элементов, и это достигается за счет большого удорожания процесса. Если продолжать работать без дефектов, что через 10 лет стоимость производства очень существенно вырастет. А при допущении совершенно мизерного процента дефектов эту стоимость можно снизить в десять и даже в сто раз. Сейчас я занимаюсь начальными обсуждениями этой проблематики с некоторыми единомышленниками.
Этого нельзя будет сделать без существенного изменения микроархитектуры процессоров, поскольку надо создать ПО, которое будет выявлять дефект и обходить его. Очень интересно, но результаты могут появиться только лет через 8-10.
Второй проект - это нормальная инженерная работа для 2012-2013 гг.
Третий, который близок к завершению, это обоснование работоспособности литографии в ближайшие годы, своеобразное решение обратной задачи для литографии.
3DNews.ru: Как вы считаете, достижения Intel в области литографии - это самый передний край этой деятельности в мире? Знает ли кто-то что-нибудь такое, чего не знаете вы?
Я. Бородовский: То, что мы называем литографией, это очень большая и комплексная вещь. Она состоит из большого количества сложной аппаратуры, которую мы покупаем. Эту аппаратуру разрабатывают очень квалифицированные люди, и её может купить любой человек на Земле. Материалы, которые мы используем в процессе литографии, также поставляются нам сторонними поставщиками, и их тоже может купить любой. А вот как эти материалы используются совместно с упомянутой аппаратурой, лучше всех знаем мы, в смысле - Intel, как компания. Но это не потому, что мы самые умные, а потому, что мы - единственная в мире компания, которая реализует весь процесс самостоятельно. У нас собственные дизайнеры, литографы и разработчики масок. В силу этого мы понимаем, где можно пойти на компромисс, чтобы в результате достичь уникального решения. Другие это сделать не могут.
3DNews.ru: Теперь вопрос не из области литографии. Одним из важнеших достижений Intel последних лет стала разработка подложки под затвор транистора из high-k диэлектрика. Почему наши конкуренты не идут по этому пути?
Я. Бородовский: Самый простой ответ на этой вопрос - "не знаю", потому что я действительно не знаю, что движет другими людьми и компаниями. Я думаю, что разработка Intel стала для них абсолютным сюрпризом. Если вы припомните, то объявлено о ней было только тогда, когда началась рассылка готовых процессоров нашим заказчикам. Отстав от нас на 2-3 года, очень сложно догонять. В то время многие из наших конкурентов усиленно муссировали мысль о том, что Закон Мура перестал действовать. Их недальновидность стала залогом нашего успеха. Я думаю, что здесь в первую очередь вина не инженерного состава, а менеджмента.
3DNews.ru: А вы верите в то, что кремниевые чипы будут существовать лет 10 и даже после этого?
Я. Бородовский: Я просто уверен в этом, правда - с определенными химическими добавками. Вы видите, в последние 5-6 лет огромное количество новых химических элементов и соединений становятся частью кремниевой технологии. Технология продолжит существовать, но будет активно модифицироваться.
3DNews.ru: Спасибо большое за очень интересное интервью!
