Китайские специалисты предложили технологический подход, который потенциально позволит создавать транзисторы класса 3 нм без применения EUV-литографии. Вместо недоступного Китаю передового оборудования исследователи рассчитывают использовать установки глубокой ультрафиолетовой литографии DUV в сочетании с многократным формированием рисунка на кремниевой пластине.

Пока речь не идёт о готовом 3-нм производстве: технология находится на исследовательской стадии и должна пройти испытания на реальных производственных линиях. Тем не менее работа показывает, каким образом китайская полупроводниковая отрасль пытается компенсировать ограничения на поставки современного литографического оборудования. Главная цена такого подхода — значительное усложнение производства, увеличение числа операций и потенциально более высокая себестоимость чипов.

Китайские исследователи сделали ставку на DUV

Новый технологический процесс разрабатывается специалистами Института микроэлектроники Китайской академии наук (IMECAS). О результатах работы рассказал главный инженер института Е Тяньчунь.

Исследователям удалось сформировать предварительную технологическую схему производства современных транзисторов типа Gate-All-Around, или GAA, используя оборудование глубокой ультрафиолетовой литографии.

Важный момент заключается в том, что GAA и EUV относятся к совершенно разным составляющим производства полупроводников.

GAA — это архитектура самого транзистора, при которой затвор окружает проводящий канал со всех сторон. Такая конструкция позволяет лучше контролировать ток и уменьшать утечки при дальнейшем уменьшении размеров элементов.

EUV и DUV, в свою очередь, являются технологиями литографии, то есть используются для переноса чрезвычайно маленьких элементов будущей микросхемы на кремниевую пластину.

Таким образом, китайские исследователи не нашли прямую «замену EUV». Они предложили способ сформировать достаточно миниатюрные структуры GAA-транзисторов при помощи более старой и доступной технологии DUV.

Как получить 3-нм структуры на старом оборудовании

Основным инструментом становится многократное формирование рисунка. Если необходимую структуру невозможно создать за одну экспозицию, её разделяют на несколько этапов.

Каждая дополнительная операция позволяет постепенно получать более мелкие элементы, чем обычно допускает разрешающая способность используемой литографической установки. В теории такой метод позволяет значительно расширить возможности DUV.

Однако за это приходится платить усложнением всего технологического процесса.

Чем больше экспозиций и масок требуется для одного слоя, тем труднее обеспечить точное совмещение элементов. Увеличивается количество технологических операций, растёт вероятность возникновения дефектов, а вместе с ней — стоимость изготовления пластин.

Особенно важным становится показатель выхода годных кристаллов. Возможность изготовить несколько работоспособных транзисторов ещё не означает, что технология подходит для выпуска миллионов процессоров с приемлемой себестоимостью.

Почему Китай вынужден искать альтернативу EUV

Разработка непосредственно связана с ограниченным доступом китайских компаний к наиболее современному оборудованию для производства полупроводников.

Нидерландская ASML является единственным поставщиком промышленных EUV-сканеров, используемых крупнейшими производителями передовых микросхем. Поставки таких систем китайским заказчикам ограничены экспортным контролем.

DUV-оборудование относится к предыдущему поколению литографических технологий и использует излучение с большей длиной волны. Однако благодаря различным вариантам многократного паттернинга его возможности можно расширить значительно дальше первоначально предусмотренных технологических норм.

Проблема заключается прежде всего в экономике производства. Там, где EUV позволяет сформировать сложный рисунок за меньшее число операций, DUV может потребовать нескольких последовательных экспозиций и дополнительных масок.

Поэтому возможность создать 3-нм структуру и возможность наладить конкурентоспособное серийное производство 3-нм процессоров — далеко не одно и то же.

GAA уже используется крупнейшими производителями чипов

Сама архитектура Gate-All-Around экспериментальной не является. Она рассматривается как один из ключевых этапов развития транзисторов после FinFET.

Samsung начала применять GAA при выпуске своих 3-нм решений ещё в 2022 году. TSMC, в свою очередь, перешла на транзисторы такого типа в поколении N2.

Преимущество конструкции заключается в более полном контроле затвором над каналом транзистора. По мере уменьшения элементов микросхем это помогает бороться с токами утечки и другими физическими ограничениями, которые всё сильнее проявляются при масштабировании.

Поэтому китайский эксперимент интересен не столько самим использованием GAA, сколько попыткой объединить современную архитектуру транзистора с менее совершенными средствами литографии.

До серийного производства ещё далеко

В Китайской академии наук не утверждают, что технология уже готова для коммерческого использования.

Следующим важным этапом должны стать испытания пластин непосредственно на производственных линиях. Именно они позволят понять, насколько предложенная схема пригодна для дальнейшего масштабирования.

Для полноценного технологического процесса недостаточно создать отдельный работоспособный GAA-транзистор. Производителю необходимо сформировать множество других структур и слоёв, включая систему межсоединений, добиться высокой точности их совмещения и обеспечить стабильные характеристики на всей площади пластины.

После этого остаётся ещё одна сложнейшая задача — получить достаточно высокий процент годных кристаллов, чтобы производство имело экономический смысл.

Поэтому обозначение «3 нм» в данном случае следует воспринимать прежде всего как класс создаваемых структур, а не как свидетельство появления у Китая готового аналога коммерческих 3-нм процессов Samsung или TSMC.

Китай развивает собственные технологии для DUV

Работа над транзисторами является не единственным направлением исследований.

В 2025 году специалисты Китайской академии наук сообщили о создании твердотельного источника когерентного излучения с длиной волны 193 нм. Именно такая длина волны применяется в современной DUV-литографии.

Подобные исследования потенциально могут стать частью программы по созданию собственных компонентов для литографического оборудования.

При этом источник излучения — лишь один из многочисленных элементов современной литографической системы. Полноценный промышленный сканер представляет собой исключительно сложный комплекс, включающий высокоточную оптику, системы позиционирования пластин и масок, метрологическое оборудование, программное обеспечение и множество других компонентов.

Поэтому создание 193-нм источника само по себе ещё не означает появления китайского аналога современных литографических машин ASML.

Huawei предлагает масштабировать вычисления другим способом

Параллельно китайские компании рассматривают варианты увеличения производительности, которые не требуют постоянного уменьшения физических размеров транзисторов.

Одно из таких направлений развивает Huawei Technologies. Компания представила концепцию Tau Scaling Law, предполагающую повышение вычислительной плотности за счёт архитектурных изменений и так называемого временного масштабирования.

Huawei рассчитывает, что к 2031 году её высокопроизводительные процессоры смогут приблизиться по эффективной плотности вычислений к показателям, ожидаемым от технологий класса 1,4 нм.

Однако здесь также важно разделять понятия. Речь не идёт о заявлении Huawei о готовности производить физические транзисторы по нормам 1,4 нм. Компания говорит о достижении сопоставимых показателей плотности благодаря сочетанию архитектурных и технологических решений.

DUV может продлить жизнь существующим технологиям

Исследование IMECAS демонстрирует один из возможных путей развития китайской полупроводниковой промышленности в условиях ограниченного доступа к EUV.

Технически возможности DUV можно расширять с помощью многократного паттернинга и дополнительных технологических операций. Такой подход способен обеспечить создание всё более компактных структур, однако одновременно резко повышает требования к точности производства.

Поэтому главным вопросом теперь становится не то, возможно ли изготовить отдельные структуры класса 3 нм без EUV, а то, удастся ли превратить подобную технологию в стабильный и экономически оправданный промышленный процесс.

Если китайским разработчикам удастся добиться приемлемого выхода годных кристаллов и контролировать рост количества операций, DUV-литография сможет использоваться для более современных поколений полупроводников, чем первоначально предполагалось. Но до подтверждения этих возможностей на полноценной производственной линии говорить о появлении массового китайского 3-нм техпроцесса пока преждевременно.