Новый формат компактных кремниевых фабрик – как решение для микроэлектроники России.

2 марта 2016
Рассмотрены тенденции современного производства полупроводниковых пластин

Прим. редакции. Рисунки и талица размещены в конце статьи
 
Дмитрий Боднарь, к.т.н., генеральный директор, ЗАО "Синтез Микроэлектроника"
 
Увеличение диаметра пластин и снижение проектных топологических норм является неотъемлемой частью истории развития полупроводниковой микроэлектроники. За более чем 50-летнюю историю производство полупроводников прошло путь от пластин диаметром 25 мм  до современных фабрик, обрабатывающих кремниевые пластины диаметром 300 мм. К 2020 году (а вероятно и раньше) планируется запуск первой фабрики для пластин диаметром 450 мм [1].  Одновременно с этим происходит постоянное снижение проектных норм топологии, достигшее значений 14 нм [2]. Основными итогами указанных тенденций являются повышение степени интеграции интегральных схем (ИС) и уменьшение стоимости обработки единицы площади ИС и полупроводниковых приборов (рис. 1) [3].  Но, одновременно с этим стоимость новых фабрик обработки пластин повышенного диаметра и уменьшенных топологических размеров постоянно увеличивается (рис. 2) [3,4]. Растет также стоимость комплекта фотошаблонов (рис. 3), а также оборудования для литографической обработки пластин (рис.4) и стоимость разработки техпроцессов для новых субмикронных технологий (рис. 5) [3,5]. В результате капитальные затраты на строительство современной фабрики для обработки пластин  диаметром 300 мм составляет 5-10 млрд. $, а для диаметра 450 мм могут достигать 20-30 млрд. $ [6]. В настоящее время в мировой полупроводниковой микроэлектронике только 6-7 компаний могут позволить себе самостоятельно построить новый завод для пластин 300 мм. Но для 450 мм пластин только 3-4 мировых компании способны профинансировать строительство производственных и энергетических корпусов такой фабрики с частичным укомплектованием оборудованием. А вот для разработки и создания литографического оборудования для проектных норм 7-14 нм  уже необходимо объединять финансовые ресурсы нескольких ведущих полупроводниковых производителей.  Таким образом, чтобы только покрыть понесенные затраты в 10 млрд. $, новому предприятию необходимо в течение 10 лет обеспечивать продажи пластин еженедельно почти на 20 млн. $. Сейчас только Intel, Samsung, TSMC являются потенциально способными нести такие расходы и обеспечивать загрузку новых производственных фабрик для пластин диаметром  450 мм.
         Но, очевидно, что в соответствии с циклом жизни и потребности на мировом рынке пластин разного диаметра  после 2020 года пик потребности и запуска 300 мм пластин буде пройден и начнется стремительный рост запуска 450 мм пластин (рис. 6) [7]. А это означает, что мелким и средним фаблесс-компаниям будет все сложнее проникать на крупные фаундри-фабрики с пилотными и инженерными партиями и малыми заказами. И особенно злободневной данная проблема может стать для небольших фаблесс-компаний, проектирующих изделия по технологии менее 45 нм, а также для стран со слабым рынком и не располагающих соответствующими фабриками и технологиями, например, для России.
        
      Компактные линии – революция в полупроводниковом
                                      производстве?           
 
         В последние годы ограничение возможностей для большинства участников мирового полупроводникового рынка в создании новых фабрик обработки пластин, а также их высокая стоимость вынуждают искать новые решения по формату этих фабрик. Эти решения направлены на снижение стоимости фабрик и уменьшение диаметра обрабатываемых пластин. Очевидно, что  снижение диаметра пластин приведет к снижению эквивалентной производительности фабрики и повышению стоимости обработки единицы площади. Однако, такие решения незаменимы для малосерийного производства и изготовления лабораторных и опытных образцов.
         В Японии разработка концепции создания компактных производственных линий в разных отраслях промышленности является настолько  актуальной, что для этого даже создана ассоциация, объединяющая многие компании, занимающиеся этой тематикой. Созданная в апреле 2013г. под эгидой Национального Института Современных Промышленных Исследований  и Технологий ассоциация включает 24 японские компании полупроводниковой промышленности. Ожидания достижения революционных  результатов распространяются так далеко, что даже предусматривают  возвращение Японии  потерянных лидирующих позиций в мировой электронике.
         Новая концепция охватывает не только полупроводниковую промышленность, но и автомобилестроение [8]. Ранее для снижения издержек и затрат в автомобилестроении производственные линии делали короче и меньше, но это приводило только к экономии места и к сокращению цикла между операциями. Сейчас основные усилия направлены на снижение стоимости, маневренность, интеграцию, уменьшение количества процессов и сокращение технологического цикла. Достигнутые результаты в автомобилестроении – поразительные. Новая линия для покраски автодеталей компании Honda на 40% короче, чем стандартная.  Новая компактная линия   Toyota обеспечивает снижение производственной площади на 58% и остается прибыльной даже при снижении объемов производства наполовину [8]. А новая  линия отливки алюминиевых заготовок для автомобильных двигателй компании Denso обеспечила сокращение расходов на 80% в сравнении с типовой линией. Хорошие результаты достигнуты и в компактном производстве устройств электропитания компании TDK – экономия составила 40%.
         Самого пристального внимания заслуживают результаты компании Minimal Fab  в создании новых компактных производственных линий для полупроводниковой промышленности [9]. Их компактные линии ориентированы на производство различных видов полупроводников в небольших количествах. Пластины диаметром 0,5 дюйма покрывают размер большинства ИС  и полупроводниковых приборов и обеспечивают очень компактный размер устройств обработки  пластин шириной всего 30 см (рис. 7а). Транспортировка пластин в герметичных  контейнерах  Minimal Shuttle избавляет от необходимости использования чистых комнат. Пример компактной  производственной линии Minimal Fab  представлен на рис. 7б. Стоимость линии нового революционного формата может быть снижена более чем в 1000 раз.
В таблице 1 приведены расчетные показатели производительности, размеров и экономики производственных линий различных размеров от типового формата до комнатных и даже настольных размеров для пластин диаметром 12, 8 и 0,5 дюйма по технологии 90 нм [10]. Расчеты выполнены японским консорциумом AIST, занимающимся исследованием производственных процессов и систем. И хотя некоторые показатели расчетов вызывают вопросы, но снижение капитальных затрат, сокращение производственного цикла и повышение эффективности для компактных линий очевидны. Первая презентация и демонстрация новой линии Minimal Fab в 2013 году на симпозиуме в Японии  не смогла вместить и половины желающих  ознакомиться с ней. А прямо на выставке Semicon Japan 2014 за 2 дня без всяких чистых комнат компания развернула линию из 25 установок для полного цикла изготовления КМОП ИС
 [11]. Реализованная на линии технология 0,8 мкм, а в ближайшие годы она будет снижена   до 22 нм.
          Американская компания Futrfab  Inc. пытается реализовать концепцию компактной фабрики обработки пластин диаметром 2 дюйма [12]. Рис. 8 демонстрирует сравнение размеров нового малопроизводительного производства, именуемого  Protofab, с современным производством с ячеистым размещением оборудования. Размеры современного производства  эквивалентны 6 футбольным полям и кроме стандартных чистых комнат включают помещения для оснастки, материалов, персонала. Только одно капитальное здание без оборудования, материалов сейчас стоит около 1 млрд. $. Стоимость современной полупроводниковой фабрики с классическими чистыми комнатами достигает 10 млрд. $.  Futrfab предлагает пересмотреть понятие чистой комнаты в классическом  понимании. Новая модель помещений, именуемых «чистое место» (Cleanspace), вмещает все элементы чистых комнат, но изменяет концепцию их расположения для обеспечения  эффективности, автоматизации и сокращения необходимого персонала. За счет компактного вертикального расположения оборудования (рис. 9), оснастки такое оборудование может легко сниматься, заменяться и обеспечивается максимальная  автоматизация и уменьшение количества персонала. Использование 2-дюймвых  вместо 12-дюймовых пластин позволяет значительно снизить размеры оборудования. Применение безмасочной литографии не только повышает маневренность производства, но и позволяет снизить требуемые  производственные площади и исключить помещения для инструмента и оснастки. В данное производство пластин может быть также интегрировано оборудование для сборки интегральных микросхем и полупроводниковых приборов в различные типы корпусов.  Таким образом, может быть реализован полный цикл создания изделий от исходной пластины до готового корпусированного  прибора. Подобные решения являются  незаменимыми для разработки и создания прототипа новой продукции, так как фабрики для крупносерийного производства и обработки пластин не заинтересованы и не поддерживают малые объемы разнотипных изделий. Кроме того, сборочные производства часто расположены в других странах и далеко от кремниевых фабрик. Компания  Futrfab полагает, что новая концепция чистых помещений Cleanspace и новой комнатной фабрики под названием  Protofab будет являться революцией в полупроводниковом производстве и обеспечит максимальную эффективность для компактных производственных линий с небольшой производительностью.
 
                 Применение в российской микроэлектронике.
 
         Что касается российских полупроводниковых производств, то  перспективы создания современных технологий 14-32 нм им не грозят даже в отдаленном будущем. Рынок электронных компонентов в России в 2012 году  по оценке  ООО «СОВЭЛ» составил 2522 млн. $ [13]. Это эквивалентно всего 6% от объема продаж компании Samsung  в 2014 году. А это означает, что  в нашей стране отсутствуют не только финансовые ресурсы для закупки и строительства такой фабрики для 300 мм пластин, но и отсутствует рыночный потенциал для ее загрузки.
         Российский рынок электронных компонентов отличается очень низким объемом  и большой номенклатурой продуктов. Даже удвоение этого рынка не сделает окупаемыми в России современные фабрики обработки пластин, ориентированные на массовое производство. Даже новые производственные линии завода «Микрон», обладающие производительностью среднего и ниже среднего уровня, в полной мере ощущают проблемы слабой загрузки производственных мощностей. Многие российские дизайн-центры для  изготовления инженерных партий и пилотных образцов пользуются услугами зарубежных компаний  TSMC, UMC, Silterra, XFab и т.д. Однако, после завершения разработки и аттестации изделия ежегодные объемы заказов составляют не более 25-50 пластин каждого изделия по проектным нормам 130-350 нм, и в некоторых случаях 65-90 нм. Причем, как правило, для каждого топологического   размера на зарубежных фабриках используется отдельная производственная линия. Очевидно, что новый формат полупроводниковой линии обработки пластин уменьшенного диаметра является прекрасным решением для российской полупроводниковой промышленности, позволяющим значительно снизить стоимость капитальных затрат, обеспечить универсальность и маневренность для разных технологий, обеспечить окупаемость при слабой рыночной потребности, сократить сроки и стоимость разработки новых изделий.
         Однако, в существующих условиях имеется одно существенное ограничение, которое может помешать реализации  всех этих преимуществ. Этим ограничением являются зарубежные санкции. Очевидно, что подобное оборудование и технологии в условиях санкций не могут быть проданы в Россию. До отмены санкций и создания открытой экономики в стране возможности воспользоваться этими преимуществами  у отечественной электроники не будет.
                                                    
                                                             Заключение.
 
1.     Снижение проектных норм, увеличение  диаметра обрабатываемых пластин до 300-450 мм и рост инвестиций в создание таких фабрик,  достигающих 10-30 млрд. $, делают доступными их строительство только для 3-6 крупных мировых компаний.
2.     После 2020 года можно ожидать сложностей для малых и средних фаблесс-компаний и стран со слабым полупроводниковым рынком в изготовлении небольших инженерных, пилотных и производственных партий на пластинах большого диаметра с топологией менее 45 нм. 
3.     Переход к новому формату компактных фабрик невысокой производительности для обработки пластин малого диаметра, без классических чистых комнат и с безмасочной литографией позволяет более чем в 1000 раз снизить их стоимость, уменьшить требуемые производственные площади и циклы, повысить маневренность и эффективность малосерийного производства.
4.     При слаборазвитом рынке потребности ИЭТ и их большой номенклатуре в России целесообразно применение недорогих и компактных производственных линий нового формата с использованием пластин уменьшенного диаметра.
Условия
· время произв. цикла =1мин/пл.
· процессы=500 (8 слоев металлиз.)
· проектные нормы=90nm
Имеющаяся Mega FAB
Мини-FAB (HALCA)
проект
FAB комнатного размера
FAB настольного размера
 
Производственная FAB
Один процесс на одну ед. оборуд.
Пилотная FAB
Несколько процессов на одну ед. оборуд.
Типы произв. процессов
текущий
Усовершенств.
текущий
минимальные
текущий
минимальные
Нанотех.
Площадь фабрики
150 м2
30 м2
10 м2
5 м2
1 м2
Диаметр пластин
12"
8"
0.5"
0.5"
Кол-во чипов на пл. (1 чип=1 cм2)
600
300
1
1
Ширина ед. оборудования
3 м
1 м
30 см
-
Кол-во масок
34
34
Без масок
Без литографии
Без масок
Без литографии
Без литографии
Кол-во процессов
600
500
350
32
350
32
~30
Пласт. в незавершенном производстве
17,000
7,500
350
32
1
1
1
Кол-во единиц оборудования
300
100
350
32
20
20
1 система
Инвестиции в фабрику
5 млрд $
0.1 млрд $
0.5 млн $
450,000$
300,000$
250,000$
10$
План расположения оборудования
рабочий
рабочий
поточный
поточный
поточный
поточный
поточный
Объём выпуска пл. (длительность произв. цикла /общая длительность)
 
~1%
 
~1%
 
40%
 
50%
 
90%
 
90%
 
90%
Время выхода партии
30 дней
10 дней
17 часов
32 часов
8 часов
18 часов
120 дней
Произв. мощность (300mm)
17,000
1,000
24
1
0.17
0.057
4x10-4
Производительность в год (чип 1 cм2)
140 млн
7 млн
0.5 млн
8,400
1,400
500
3
Производительность для массовых продуктов для ПК
70%
3.5%
0.1%
4x10-5
7x10-6
2x10-6
1.5x10-8
Объем продаж
10 млрд $
0.2 млрд $
0.5 млн $
300,000$
300,000$
250,000$
300,000$
Цена чипа (Объем продаж / кол-во произвед. чипов )
12$
29$
1.7$
36$
36$
500$
100,000$
Эффективность использ. средств
0.1%
0.2%
0.2%
100%
0.2%
100%
100%

 

Оставить комментарий