Делаем микросхемы дома — часть 3. Производство микросхем бизнес план


Производство микросхем.

lexpartizan — 21.01.2016

Вкратце процесс производства микросхем выглядит примерно так:

1.Первоначально берется SiO2 в виде песка, который в дуговых печах (при температуре около 1800°C) восстанавливают коксом:

SiO2 + 2C = Si + 2CO

Такой кремний носит название «технический» и имеет чистоту 98-99.9%. Для производства процессоров требуется гораздо более чистое сырье, называемое «электронным кремнием» — в таком должно быть не более одного чужеродного атома на миллиард атомов кремния. Для очистки до такого уровня, кремний буквально «рождается заново». Путем хлорирования технического кремния получают тетрахлорид кремния (SiCl4), который в дальнейшем преобразуется в трихлорсилан (SiHCl3):

3SiCl4 + 2h3 + Si 4SiHCl3

Данные реакции с использованием рецикла образующихся побочных кремнийсодержащих веществ снижают себестоимость и устраняют экологические проблемы:

2SiHCl3 Sih3Cl2 + SiCl42Sih3Cl2 Sih4Cl + SiHCl32Sih4Cl Sih5 + Sih3Cl2Sih5 Si + 2h3

Получившийся в результате водород можно много где использовать, но самое главное то, что был получен «электронный» кремний, чистый-пречистый (99,9999999%). Чуть позже в расплав такого кремния опускается затравка («точка роста»), которая постепенно вытягивается из тигля. В результате образуется так называемая «буля» — монокристалл высотой со взрослого человека. Вес соответствующий — на производстве такая дуля весит порядка 100 кг. Слиток шкурят «нулёвкой» :) и режут алмазной пилой. На выходе – пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм.Слиток шкурят «нулёвкой» :) и режут алмазной пилой. На выходе – пластины (кодовое название «вафля») толщиной около 1 мм и диаметром 300 мм.

Тут надо сделать отступление. В ближайшее время планируется переход на пластины диаметром в 450 мм, что удвоит площадь пластин. Площадь пластин чрезвычайна важна в экономическом плане. Так как весь рабочий процесс ведётся с одной пластиной, а не с её частями. А значит, чем больше на пластину влазит(чем больше её площадь и чем меньше площадь микросхемы), тем дешевле и быстрее получается производство.Например, на одной пластине вмещаются 160 чипов площадью 352 квадратных мм от видеокарты 7950. Или около 250 чипов размером в 250 кв мм intel broadwell. Ядро Cortex-A35, например, занимает 4 кв мм. Так что есть разница, получить за то же время с теми же усилиями 250 процессоров intel или 500.Кроме других преимуществ в виде производительности и энергопотребления более совершенный техпроцесс позволяет уменьшить площадь микросхемы, значит можно разместить больше чипов на пластине и микросхема выйдет дешевле.Надо ещё отметить тот факт, что Китай подсадил весь мир на свои пластины. Даже интел их не производит, а закупает.

2.На кремниевую подложку\вафлю наносят слой материала, из которого нужно сформировать рисунок. На него наносится фоторезист — слой полимерного светочувствительного материала, меняющего свои физико-химические свойства при облучении светом. Потом производится экспонирование (освещение фотослоя в течение точно установленного промежутка времени) через фотошаблон\маску.и удаление отработанного фоторезиста.Весь процесс выглядит примерно так:Операцию печати рисунка (с разными масками) нужно повторить от ~10 (для самых простых и старых микросхем) до ~40 раз чтобы сформировать все нужные слои на микросхеме (начиная от самих транзисторов, и заканчивая 2–10 слоями металлических соединений). Между операциями фотолитографии пластины подвергаются различной обработке — их греют в печке до 1100 градусов, травят в растворах и плазме.

На данный момент оптическая литография столкнулась с пределом роста на 57 нм из-за длины волны лазеров. Применяя хитрости вроде фазовых масок, многократной экспозиции, оптической коррекции близости, off-axis illumination, поляризации света — получают минимальные элементы до 22нм.В кулуарах конференции Tae-Seung Eom, представляющий компанию Hynix Semiconductor, печально поведал: “Я не хочу разрабатывать двойное паттернирование, но мой босс заставляет. Это просто убивает меня”. “Шаблоны для двойного паттернирования – вот, что не дает мне спать по ночам” - сказал в дискуссии за круглым столом Harry Levinson, руководитель разработок литографических технологий компании AMD. “Но как раз это позволяет мне спокойно спать ночами” - парировал Bert Jan Kamperbeek из компании Mapper Lithography, о которой речь пойдёт немного позже. А сейчас применяется четырёхкратное паттернирование, что ещё более сложно и дорого. Чтобы вы понимали, двойное паттернирование требует два фотошаблона и экспонирования.Способ литографии на жестком ультрафиолете EUV даёт теоретический максимум в 16 нм.

Сколько стоит сделать процессор?А теперь немножечко о стоимости процесса. Тут самым интересным является изготовление масок.Они не должны иметь ни одного повреждения, и их изготовление обходится очень дорого: от ~7'000$ за комплект для микросхем на 1000нм, ~100'000$ для микросхем на 180нм и до ~5'000'000$ для микросхем на 32нм. А ведь микросхема с первого раза скорее всего не заработает — и после нахождения ошибки маски придётся переделывать. Частично с этой проблемой можно бороться размещая тестовые микросхемы от многих заказчиков на одном наборе масок — тогда все получат по чуть–чуть тестовых микросхем за 1/3–1/10 цены полного набора масок (это называют Shuttle или MPW — multi project wafer).Сколько же должен стоить такой процессор, если производство мелкосерийное? Если сравнивать с процессором интел, которых влезает около 250 на пластину, то 5 000 000$ делим на 250 - 20 000 баксов на чип только за маски! А если они не удались с первого раза, то 40 000! За микросхему, Карл! Чтобы выйти на уровень 20 баксов за чип, надо продать 250 тысяч чипов! А ведь мы ещё не учли стоимость разработки, техпроцесса, корпусировки. Только маски!По слухам каждая произведённая пластина стоит от 100–400$ для старых технологий на 1000нм, ~1000$ на 180нм и до ~5000$ для самых современных (помимо нанометров тут оказывает влияние и сложность технологии — простая логика дешевле, флеш память дороже, но не в разы).Чтобы всё это окупить, надо клепать просто дикие масштабы и иметь достаточно ёмкий рынок, куда все эти миллионы микросхем можно слить. Именно поэтому военка и космос стоят космических денег.

3. Разрезание пластины. Упаковка на подложку и корпусировка.

Без комментариев. Хотя перспективно было бы делать теплораспределительные крышки из композитов меди и графена.

И так с производством и основными проблемами слегка разобрались.

Сколько стоит фабрикаДавайте посмотрим, во сколько примерно обойдётся заиметь свой заводик по клепанию чипов.Для постройки фабрики требуется около 3 лет и порядка $5млрд (10 млрд за завод с 450 мм вафлями)– именно эту сумму должен будет «отбить» завод в последующие 4 года (к тому времени как появятся новые технологический процесс и архитектура, а прибыль будет переть только по последнему техпроцессу, устаревшие технологии идут по себестоимости; необходимая для этого производительность – порядка 100 рабочих кремниевых пластин в час).Несмотря на всю сложность индустрии, только монополисты работают с видимой прибылью (TSMC, Intel, Samsung и немногие другие), остальные еле сводят концы с концами. Мало кто может себе позволить выпускать чипы. Ещё меньше тех, кто умеет делать маски.По всему миру микроэлектроника жесточайше дотируемая отрасль — заводы постоянно выклянчивают освобождение от налогов, льготные кредиты и демпингуют (в Китае пошли ещё дальше — Semiconductor заводы строит за государственный счёт, и потом ими «управляет» — это у них называется Reverse Build-Operate-Transfer). После появления каждой новой технологии (45нм, 32нм...) — первые заводы-монополисты обладающие ей и рубят основную прибыль, а те, кто приходят на 2-5-10 лет позже старта — вынуждены работать практически по себестоимости. В результате денег тут заработать крайне сложно (без монополии и без дотаций).

Проблемы ВПК и космоса.Как видите, заниматься производством электроники, не имея ёмкого рынка просто невыгодно.Но что делать военным и Роскосмосу? Ведь у них очень малые заказы и особые требования.Такие микросхемы обходятся буквально в космические суммы, когда кусочек кремния может стоить дороже всего танка.Это приводит даже к таким анекдотичным проблемам, когда американский F–22 Raptor по прозвищу "золотой" (ибо стоит на вес золота) до недавнего времени летал на процессоре Intel 960mx, разработанном в 1984–м году!Можете представить, как дела обстоят у нас. И не удивляйтесь, почему наша техника устарела, а Система Управления Огнём стоит дороже танка и покупается у французов.У военных и космонавтов (в России всё перемешано) нет нужды в больших сериях, но у них есть особые требования.

Это повышенные требования к надёжности кристалла и корпуса, устойчивости к вибрациям и перегрузкам, влажности, большой температурный диапазон.

В США микросхемы разделяются на коммерческие с диапазоном от 0...70 градусов по Цельсию и индустриальные и военные с диапазоном -40...125С. Не прошедшие проверку понижаются в звании и маркируются, как коммерческие.Военные по старой привычке очень ценят керамические корпуса. В советские времена пластик не переносил термоциклирование, был пористый, набирал влагу, плохо переносил мороз. Сейчас этих проблем нет.Керамика дороже, меньше вибростойкость и в целом от больших ускорений проволока, которой контактные площадки на кристалле соединены с выводами микросхемы, может отвалится (в пластиковом корпусе проволока «поддерживается» по всей длине пластиком).Однако на гражданском рынке нет керамических корпусов. Этакая защита от подделок.

Ну и отдельно рассмотрим космические требования.Когда гамма и рентгеновское излучение (в том числе вторичное, полученное из-за столкновения электронов с корпусом аппарата) проходит через микросхему — в подзатворном диэлектрике транзисторов начинает постепенно накапливаться заряд, и соответственно начинают медленно изменятся параметры транзисторов — пороговое напряжение транзисторов и ток утечки. Обычная гражданская цифровая микросхема уже после 5000 рад может перестать нормально работать (впрочем, человек может перестать работать уже после 500-1000 рад). На низкой орбите 300-500км (там где и люди летают) годовая доза может быть 100 рад и менее, соответственно даже за 10 лет набранная доза будет переносима гражданскими микросхемами. А вот на высоких орбитах >1000km годовая доза может быть 10'000-20'000 рад, и обычные микросхемы наберут смертельную дозу за считанные месяцы. Шанс получить ошибку в конкретном транзисторе пропорционален его объему, а он быстро уменьшается с уменьшением технологии (т.к. транзисторы становятся не только меньше по площади, но и тоньше). Помимо этого, отмечено аномальное увеличение радиационной стойкости с современными толщинами подзатворных диэлектриков (3нм и менее). В целом, на современных стойких тех.процессах (65нм и менее) рутинно получаются микросхемы выдерживающие дозу облучения в 1млн рад, что превышает все разумные требования по стойкости.

Кроме того существуют Тяжёлые Заряженные Частицы.ТЗЧ имеют такую высокую энергию(никакая свинцовая защита не поможет от этого снаряда), что «пробивают» микросхему насквозь (вместе с корпусом спутника), и оставляют за собой «шлейф» заряда. В лучшем случае это может привести к программной ошибке (0 стать 1 или наоборот — single-event upset, SEU), в худшем — привести к тиристорному защелкиванию (single-event latchup, SEL). У защелкнутого чипа питание закорачивается с землей, ток может идти очень большой, и привести к сгоранию микросхемы. Если питание успеть отключить и подключить до сгорания — то все будет работать как обычно. Возможно именно это было с Фобос-Грунтом — по официальной версии не-радиационно-стойкие импортные микросхемы памяти дали сбой уже на втором витке, а это возможно только из-за ТЗЧ (по суммарной набранной дозе излучения на низкой орбите гражданский чип мог бы еще долго работать).Методы борьбы:1) Следить за потребляемым током, и быстро передергивать питание2) Использовать микросхемы на сапфировой подложке (Silicon-on-sapphire, SOS, в более общем виде Silicon-on-insulator, SOI).Пластины кремний-на-сапфире стоят дорого, обрабатывать их сложно, и они имеют ограниченное применение в гражданском секторе — соответственно производство получается дорогим.3) Использовать так называемый triple-well процесс — он также очень сильно снижает возможность защелкивания микросхемы за счет дополнительной изоляции транзисторов pn-переходом, но не требует каких-то особенных пластин или оборудования и соответственно само производство намного дешевле кремния на сапфире.4) Для исключения программных ошибок блоки могут дублироваться по три блока и ответ принимается таким, каким выдали два блока из трёх.

Как мы видим, никакого особого космоса тут нет и микросхемы производятся обычным техпроцессом с небольшими особенностями.

Подведём итоги:1. Фотолитография достигла своего технологического потолка и дальнейшее повышение техпроцесса связано с ухищрениями и технологическими трудностями.2. Производство мелкой серии стоит космических денег. А значит нужен крайне ёмкий рынок, который не может обеспечить РФ.3. Прибыль идёт в основном только первые пару лет, пока кто-то не введёт новые технологические нормы. Дальше идёт работа по себестоимости. Область крайне дотационная, ибо маржу имеют всё-таки не с чипа, а конечного продукта, например бытовой техники. Так что от мечтаний сказочно разбогатеть, продавая русские микросхемы, придётся отказаться.

Как видим, производство микропроцессоров не может развиваться в России по причине мелкого рынка, а посему приходится закупать, что дают, в Китае, который клепает миллиарды чипов на многочисленных фабриках.Военные вынуждены покупать свои игрушки за границей по конским ценникам, с дипломатическими проблемами и без всяких гарантий. Именно поэтому мы видим иностранные СУО сомнительного качества на наших танках, которые стоят дороже самих танков. Кроме того у наших "партнёров" есть замечательная возможность скинуть нам брак и неликвид, совершенно негодный для военных действий. Как известно, надежность — уже лет 10 как является результатом компромисса со скоростью и тепловыделением. И пути повышения и снижения надежности очень хорошо изучены: достаточно например не добавлять 1% меди в алюминиевые соединения, или отжигать микросхему не в дейтерии, а в водороде — и срок службы сократиться в 10 раз. Обнаружит ли это тестирование — еще вопрос.

Но выход есть! Хватит это терпеть!Электронная литография представляет собой нечто вроде 3D-принтера в производстве микроэлектроники. Экспонировать фоторезист можно не светом, а электронным пучком. Электронный пучок можно фокусировать в точку гораздо меньшего размера, но появляются и новые проблемы. Конечное разрешение электронной литографии определяется не только диаметром сфокусированного пучка, а ещё характером его взаимодействия со слоем резиста.Соударение электронов первичного, высокоэнергетического пучка электронов (красная линия) с атомами материала резиста порождает в нём затухающую лавину вторичных выбитых электронов (синиие линии), вторичные электроны паразитно «засвечивают» резист. В результате экспонированное пятно в плёнке резиста оказывается в несколько раз больше по размеру относительно диаметра электронного пучка. И чем выше энергия, тем больше "пятно". А значит нельзя для ускорения процесса экспонирования просто увеличить ток.Однако на современном уровне развития электронная литография позволяет в рекордных экспериментальных установках получать структуры с разрешением менее 1 нм. Электронные микроскопы, из которых с помощью специальных насадок(за сотню тысяч баксов) делают литографические машины, позволяли прорисовывать линии с шириной около 20 нм уже в 1990-х годах. В 1990, а мы подошли к этому техпроцессу только сейчас!

То есть, электронная литография снимает технологический барьер по тонким техпроцессам.Кроме того, электронным пучком можно управлять. Как на 3Д-принтере, только отклоняют его не механическим способом. И он, как зд-принтер или луч развёртки на экране, способен сформировать любую структуру. А это значит, что маска больше не нужна.Единичные микросхемы для экспериментов учёных уже давно делаются таким образом.

Однако, в промышленности этот метод не используют. Почему?Вечная проблема всех 3D-принтеров. Скорость работы.Насколько медленно?Для типичных хороших электрон-резистов — экспозиция получается порядка 30 микрокулон на квадратный сантиметр. Это значит, что один луч с током 10nA (10 нанокулон в секунду) засветит 300мм пластину площадью 706 см2 за 706*30/(10*0.001) = 24 дняГрубо говоря, 10 процессоров в сутки. Ни о чём. Ваще.

Но выход есть!Выход нашла нидерландская фирма Mapper Litography. Она предлагает распараллелить электронный пучок на множество пучков, каждый из которых будет открываться\закрываться и отклоняться в пределах 2 микрометров.У Mapper — один мощный источник электронов(энергия 5kV, то есть рассеяние будет ещё ниже, чем на ранее приведённом рисунке), коллиматор (электростатическая линза, фокусирующих их так, чтобы получался широкий параллельный пучок электронов). Затем этот широкий пучок попадает на матрицу бланкеров (на фото справа) — фактически пластина с дырками, у одной из стенок которых — отклоняющий электрод. Когда на электрод подают напряжение — электроны отклоняются и не попадают дальше никуда. Если тока нет — так параллельным пучком и летят дальше.Слева - Mapper, справа - обычный электронный микроскоп.Для каждого луча\дырки идут индивидуальные дефлекторы, которые могут отклонять каждый луч примерно на 2 микрометра вдоль одной оси (перпендикулярно движению пластины). И наконец — для каждого луча своя электростатическая линза для фокусировки.Управляют отклоняющими электродами с помощью лазера, видимо чтобы проводники не вносили искажений в «не свои» каналы.В результате такую систему намного проще масштабировать — все эти микропластинки с «дырками» изготавливаются по уже отработанным MEMS техпроцессам на серийных заводах, и при необходимости их можно масштабировать и дальше. Электронная оптика максимально упрощена (=удешевлена) — за счет того, что отклонять каждый луч нужно на совсем небольшое расстояние (2 микрона), да еще и вдоль одной оси.В начале 2012 года в рамках программы IMAGINE компания MAPPER достигла размерности элементов 22 нм, что соответствует следующим технологическим стандартам в микроэлектронике — 14 нм и 10 нм. Вполне современно, как по мне.Модель Matrix 1.1, имеет 1300 лучей и обрабатывает одну вафлю за час.Модель Matrix 10.1, имеет 13 260 лучей и обрабатывает 10 вафель в час.Для достижения промышленной производительности предлагается объединять десять установок в кластер.А это уже серьёзно. По взрослому.

Цена вопроса:Производитель ориентируются на стоимость, сравнимую с EUV сканерами из расчета на 1 пластину в час (~500тыс$/wph). Т.к. максимальная производительность у Mapper на одной установке получается 10 пластин в час, для получения тех же ~100 пластин в час — систему предлагается ставить в нескольких экземплярах.То есть, одна установка на 10 пластин в час стоит примерно 5 млн долларов, а кластер - всего 50 млн долларов. Вполне доступно, как по мне.Впрочем, тут утверждается, что прогнозируемая стоимость установок E-beam (€50–60 млн). Надеюсь, это за кластер. Впрочем, и пол-миллиарда не астрономическая сумма в масштабах страны за свою электронику.Когда же система пойдет в серийное производство — можно ожидать дальнейшего снижения стоимости, т.к. тут нет самых больных мест оптической фотолитографии — источника света (и EUV и ArF лазеры стоят больших денег), сложного и чудовищно дорогого объектива и фотошаблонов, которые нужно изготавливать для каждого нового типа изготовляемых микросхем. А электронная микрооптика — изготовляется серийно хоть в миллионе экземпляров без проблем.

А группа китайских учёных из Канады предложила способ использования крайне дешёвого полистирола в качестве фоторезиста в электронно-лучевой литографии, позволяя создавать 3D объекты до 1.5 микрон высотой при необычайно малой толщине (ниже сотни нанометров).При этом повышается чувствительность, а вместе с ней и производительность всего метода в целом, так как требуется меньше времени на создание одного «пикселя» и увеличивается производительность. Суть предложенного метода заключается в том, что полистирол наносится на подложку за счёт термического испарения, а затем после воздействия электронного пучка экспонированную область можно легко растворить смесью ксилолов.К тому же, при желании можно одновременно «рисовать» на изогнутых поверхностях и даже создавать волноводы на таких поверхностях.

Наши возможности.Инвесторами являются TSMC (Тайвань), STMicroelectronics (Франция) и ...Роснано.В России в 2014 году приступил к работе завод МЭМС(Микроэлектромеханические системы), построенный специально для этих целей и выпускающий электроннооптическую часть данного литографа. Кроме того, такой завод может производить кучу важных датчиков, например, акселерометров, гироскопов, магнитных, барометрических и даже DLP-чипов для проекторов.

То есть насадка на электронный микроскоп, превращающий его в литограф, у нас есть. Но я не слышал о российских электронных микроскопах. Зато слышал об украинских. А это значит, что теоретически мы могли бы производить данные литографы для себя сами, даже в условиях автаркии.

Возможности и перспективы.Применение данной технологии означает только одно: отныне имеет важность и стоимость только площадь чипа.Что это значит?Это значит, что каждый производитель сможет разработать свой чип с минимальным энергопотреблением, в котором не будет ничего лишнего. Ему больше не нужны универсальные контроллеры. Ему не важен объём заказа. Хоть одна микросхема. Стоимость имеет только площадь чипа и исследовательские работы.

Я уже вижу этакий электронный магазин IP-ядер. Где ты выбираешь себе части, которые будут в микросхеме. Вот ядро arm или mips процессора, вот видеоядро, вот вайфай, вот usb 3.0. Ты не рассматриваешь, какой чип из существующих тебе подходит. Ты создаёшь чип под себя, наполняя его стандартными элементами.

Для инженеров это значит, что в любой момент чип можно исправить или улучшить. И не надо тратить сотни тысяч на новую маску. А это значит, что развитие техники пойдёт быстрее. Модными станут опенсорс-ядра, они начнут стремительно развиваться. Проверить новую идею или архитектуру в железе будет стоить буквально копейки. При этом все микросхемы будут изготавливаться по самому совершенному техпроцессу.

Для военных и космоса это означает, что всю электронику можно и нужно будет переделать под свои задачи, учитывая особенности применения в архитектуре. Вся электроника танка или самолёта может быть интегрирована в одну специализированную микросхему, где данными радара будет заниматься большое множество примитивных, заточенных под задачу, параллельных процессоров, а общее "руководство" будет на сложных производительных ядрах общего применения. И всё это будет интегрировано в один чип по цене обычного гражданского процессора. СУО, которая стоит пол-танка станет стоить копейки. ВПК кардинально преобразуется, станет более интеллектуальным, производительным, гибким.

Что приятно, так это возможность постепенно наращивать производство, поставив в кластер сначала 2 машины, потом ещё одну-две-три, сколько угодно. Это очень удобно для нашего маленького рынка и плановой экономики. При этом производство будет сразу по самым современным нормам.

Итого, мы имеем чрезвычайно гибкое производство по последним технологическим нормам(с запасом), которое легко масштабируется и совсем не зависит от величины серии микросхем. Идеально для автаркии!

Мальчики и девочки, это и есть новый техноуклад! Когда производство индивидуальных вещей ничуть не отличается от массовой штамповки. Это индустрия 4.0, детка! Эта та самая основа технологического могущества страны, с которой и надо бы начинать строительство сверхдержавы.И лучше потратить полмиллиарда или даже 10 млрд на это, чем 2,5 в год на ролс-ройсы и или 6 млрд в месяц на облигации госдолга США.

Где размещать производство?

К сожалению, перенос структуры на подложку является только одной частью техпроцесса. Основной же стоимостью фабрики являются именно "чистые помещения". Кроме чистых помещений ещё требуются установки по осаждению металлов и тд и тп.Так что нельзя поставить по одной установке в каждом городе и сделать распределённую промышленность, как я бы хотел. Ибо концентрированная промышленность уязвима для ударов противника, диверсий и саботажа.Однако, это оборудование может быть установлено с минимальными затратами на предприятиях с устаревшим оборудованием. И если Микрон выходит на 65 нм и пока в модернизации не сильно нуждается, то вот эти производства можно модернизировать смело, Родина много не потеряет.

Ангстрем-ТХрен поймёшь, что с ним. Вроде ещё не окончен. Обещают 90нм. Так как он в процессе, самое время лепить туда электронную литографию. и делать его основным центром производства.

НИИСИ РАНИли как его еще называют — «Курчатник». Нормы 350 нм. Объём производства - считанные пластины в день, работает на оборонку. Думаю, что одного такого литографа на 10 пластин в час для армии достаточно.Но завод должен контроллироваться полностью военными специалистами, которые бы следили за техпроцессом, содержанием меди, дейтерием и прочими технологическими требованиями за качеством микросхем.

Ангстрем («старый»)Производство с нормами 600нм на пластинах диаметром 150мм (8тыс пластин в месяц) и 100мм, 1200нм кремний-на-сапфире/карбид кремния (4тыс. пластин в месяц).

Интеграл.Долгое время Белорусский Интеграл обладал технологией 800нм, но несколько лет назад наконец смогли запустить 350нм производство на пластинах 200мм, с объемом производства 1000 пластин в месяц. Также есть своё производство «чистых» пластин диаметром 200мм для 350нм линейки.

Используемые материалы, из которых я бессовестно копипастил:

От песка до процессора.Как работает микроэлектронное производство и что нам стоит дом построить?Микроэлектроника для космоса и военныхВероятное будущее производства микроэлектроники: безмасочная многолучевая электронная литография от Mapper Lithography3D электронная литография в массы

yablor.ru

Делаем микросхемы дома — часть 3 / Geektimes

Прошло чуть больше года после предыдущих статей о моем проекте создания микросхем дома (1, 2), люди продолжают интересоваться результатами — а значит пора рассказать о прогрессе.

Напомню цель проекта: научиться изготавливать несложные кремниевые цифровые микросхемы в «домашних» условиях. Это никоим образом не позволит конкурировать с серийным производством — помимо того, что оно на порядки более совершенное (~22нм против ~20мкм, каждый транзистор в миллион раз меньше по площади), так еще и чудовищно дешевое (этот пункт не сразу стал очевиден). Тем не менее, даже простейшие работающие микросхемы, изготовленные в домашних условиях будут иметь как минимум образовательную и конечно декоративную ценность.

Как я уже упоминал в комментариях к другому топику, попытка выйти с этим проектом на kickstarter провалилась — проект не прошел модерацию из-за отсутствия прототипа. Это заставило в очередной раз переосмыслить пути коммерциализации этой упрощенной технологии. Возможность релиза технологии домашних микросхем в виде RepRap-подобного opensource-кита покрыта туманом: очень уж много опасной, дорогой и нестойкой химии — так просто рассылать по почте не выйдет. Также по видимому отсутствует возможность делать мелкие партии микросхем дешевле серийных заводов: сейчас минимальные тестовые партии микросхем можно изготавливать примерно по 30-50$ штука (в партии ~25 штук), и существенно дешевле 30$ за микросхему сделать это на самодельной упрощенной установке не получится. Кроме того, не смотря на низкую цену на обычных заводах — любительские микросхемы практически никто не делает, задач где они имели бы преимущества перед FPGA/CPLD/микроконтроллерами практически нет, а стоимость и сложность разработки — остается очень высокой.

Но как я уже упоминал выше — даже с этими недостатками проект остается для меня интересным.

Из того, что уже упоминалось в моих других статьях в последние месяцы — куплен кислородный концентратор, позволяет получить ~95% кислород без головной боли. Из вредных примесей — похоже только углекислый газ (35ppm), будем надеяться, этого будет достаточно. Также едет из Китая генератор озона (ему на входе нужен кислород) — есть результаты исследований, показывающих что им удобно растить тонкие подзатворные диэлектрики и использовать как один из этапов для очистки пластин.

Уже достаточно давно куплен металлографический микроскоп, и исследованы кучи существующих микросхем. В целом, стало намного понятнее с чем придется иметь дело. И наконец, поскольку микроскоп — симметричный прибор, его можно использовать для проекции уменьшенного изображения при фотолитографии. Совмещение изображения — визуальное и ручное. Источник освещения для проецирования — даже не обязательно УФ диодом делать, белый свет также вполне подойдет — качество изображения позволяет (хотя мощные 405нм диоды у меня тоже есть). Достижимые таким образом нормы фотолитографии — микронные (если сильно постараться — то до ~350нм), но смысла сильно уменьшать транзисторы нет — т.к. пропорционально уменьшается и «размер кадра», контакты к которым придется приваривать выводы станут слишком мелкими. Так что придется первоначально ограничиться нормами 10-20мкм, как и планировалось.

Микроскоп несколько поколебал веру как в отечественных производителей, так и в китайских. Оказалось, некоторые «отечественные» микроскопы — перемаркированные китайцы за 200-300% цены. С другой стороны — один из объективов похоже немного кривоват и предметный столик имел небольшой дефект литья — пришлось дорабатывать напильником (в прямом смысле этого слова).

Один из важных химических элементов для производства микросхем — вода. Опять-же в Китае куплен кондуктометр — измеритель электропроводности воды. По электропроводности можно оценить количество растворенных солей (+-50%, если не известно что именно растворено). В воде обычно растворены соли калия, натрия, кальция и марганца — и все они очень опасны для микросхем (особенно натрий и калий), т.к. их ионы могут быстро двигаться в кремнии и оксиде кремния при обычных температурах и изменять электрические параметры транзисторов (для полевых транзисторов — пороговое напряжение, утечку).

Измерил имеющиеся образцы воды, и получил следующее:

Концентрация примесей
Водопроводная вода 219ppm
«Новый» бытовой фильтр 118ppm
«Старый» бытовой фильтр 210ppm
Кипяченая вода из нового фильтра 140ppm (!!! 2 раза перепроверял)
Бидистиллированная вода из Русхима (Не похоже на бидистиллированную) 10ppm
Деионизировнаная вода из института микробиологии 0ppm
Деионизированная после 6 часов на воздухе (Из-за растворения углекислого газа из воздуха) 8ppm
«Правильная» деионизированная вода — должна иметь 0.1ppm и менее, что меньше того, что может измерить мой прибор. Тем не менее, сразу видно, что далеко не любой источник воды подойдет. Куплены ионообменные смолы — они используются для очистки воды до деионизированной. Оказалось, закрома родины очень глубоки — одна из банок расфасована в 1968-м году

Также удалось купить и TMAH (тетраметиламмония гидроксид) — используется как проявитель для фоторезиста, не содержащий ионов щелочных металлов (которые как мы знаем — зло).

Для вакуумной системы — вместо покупки вакуумной резины (несколько раз пытался — но так и не осилил), нашелся в Китае вот такой вот gasket maker — паста, которую можно выдавить в нужную форму, она затвердевает — и становится резиновой.

По печке: для теплоизоляции — куплено вот такое базальтовое полотно, используется для теплоизоляции ядерных реакторов. Выдерживает 1000-1200 градусов.

Под микроскопом — видно отдельные нити расплавленного базальта, из которых сплетено полотно. Вот это настоящие нанотехнологии!!! В голове по началу не укладывается: как из камня можно сделать тончайшие нити, и соткать гибкий материал? (масштаб: 1 пиксель ~ 3 микрометра):

Найдены и порезаны кварцевые трубки для печки разного диаметра. Первый уровень теплоизоляции — воздушный зазор межу вставленными друг в друга трубками.

Изначально я думал питать печку прямо от 220 вольт — но все-же благоразумно решил перейти на питание постоянным напряжением 48 Вольт — это позволит как точнее регулировать и контролировать мощность, так и сделает конструкцию безопаснее. Куплены 2 блока питания на 400Вт. Как китайцы такой блок производят и доставляют за 19$ — загадка:

Для контроля температуры — изначально были куплены высокотемпературные термопары, рассчитанные на 1200 градусов (про них писал в прошлой серии — но фотографии не было). Размер конечно конский. Вероятно будет проще следить за уровнем инфракрасного излучения на длине волны 1мкм — кварц для него прозрачен.

И наконец — инертная среда для печки. В моем случае это Аргон. Из-за особенностей разделения газов — аргон получается чище, чем азот, хоть и несколько дороже. Я купил маленький 10л баллон, и регулятор. Регулятор внезапно не подошел — резьба не совпадает, нужно или переходник искать, или другой регулятор покупать.

Оказалось, сжатые газы продают рядом с домом (жизнь в промышленной зоне Москвы имеет свои преимущества) — и я приехал за ним с тележкой. Рабочий не оценил мой порыв — и настоятельно рекомендовал завернуть баллон в картон, чтобы прохожие не переживали. За 15 минут мы справились с камуфляжем. В общем, встреча с реальным миром вечно дарит сюрпризы :-)

Самое главное — удалось досконально разобраться в том, как работает микросхемы по NMOS технологии, зачем там 3 напряжения питания (или 2, со снижением скорости). Также наконец найден качественный open-source софт для разработки простых микросхем, в том числе поддерживающий и NMOS процесс — gnuelectric:

Из того, что упоминал в предыдущей статье — TEOS видимо не нужен, слишком сложно с ним работать, HMDS — не обязателен, по крайней мере для «больших» транзисторов.

Генератор азота — это конечно удобно, работать с пластинами в инертной атмосфере и не возиться с баллонами, но также не критично.

Единственное, что серьёзно могло бы облегчить работу — это образцы spin-on dopants и spin-on glass. В России по различным причинам их не используют и не производят, за рубежем — производителей мало, продается большими партиями и стоит дорого (тысячи $). Компания Emulsitone, у которой покупала образцы Jeri Ellsworth когда делала свои транзисторы — похоже загнулась, с ними связаться так и не удалось. Но это также не обязательный пункт — работать можно и без них (с фосфорной и борной кислотами, POCl3 и BBr3), хоть и намного сложнее / несколько опаснее.

И наконец — конечно не хватает спонсора для моих проектов, иногда между дополнительными затратами времени и дополнительными затратами денег приходится выбирать первое. Если кто-то из компаний или частных лиц имеет желание спонсировать мои проекты (условия обсуждаемы) — вы знаете, где меня найти :-). Update: Ориентировочная смета есть, высылаю по запросу — т.е. представление на что именно нужны деньги — есть.

В прошлой статье я упоминал о моём классическом микроэлектронном проекте — я хотел разработать и производить на серийных заводах микроконтроллеры. Исследовав под микроскопом конкурентов (нормы производства, площадь), и узнав цены производства на практически всех заводах (как отечественных, так и зарубежных) — стало понятно, что бизнес это хороший, хоть и очень капиталоемкий. Тем не менее, тут похоже пока не судьба — в Сколково проект дважды завернули, из-за отсутствия у меня профильного опыта. С одной стороны они безусловно правы, с другой — пришел бы Цукерберг в Сколково, а ему «А сколько социальных сетей вы уже создали?». Вводить в команду фиктивных членов — совершенно нет желания. Так что жизнь как всегда вносит коррективы в радужные планы — видимо сначала придется зарабатывать деньги на проект другими путями, и вернуться к нему через 3-5 лет (если он тогда еще будет кому-то нужен). Следующий шаг — сборка печки с управляющей электроникой, и наконец производство первых образцов. Для начала — кремниевые диоды, исследование их характеристик, солнечные батареи, затем — полевые транзисторы, возможно и биполярные. Можно попробовать сделать диоды Шоттки — но с ними все не так просто (высокие требования к интерфейсу металл-полупроводник и краям диода).

Затем нужно думать, как в домашних условиях сделать ультразвуковую или термокомпрессионную сварку проволоки с кремниевой пластиной — это нужно для подключения выводов.

Надеюсь, в обозримом будущем домашние микросхемы мы все-же увидим :-)

geektimes.ru

Как производятся микропроцессоры

Компьютерра: Как производятся микропроцессоры

Архив

автор: Александр Карабуто   06.10.2004

Вам не приходилось бывать в сердце полупроводниковой индустрии — на фабрике по производству микросхем?

Вам не приходилось бывать в сердце полупроводниковой индустрии — на фабрике по производству микросхем? Каждое подобное сооружение — творение, способное впечатлить любого, даже непосвященного в производственные процессы человека.

У побывавших там возникало ощущение, будто совершаешь фантастическое путешествие в футуристический муравейник роботов или внутрь самой микросхемы. Там, в стерильном зале размером с три футбольных поля, снуют роботы и десятки специалистов, облаченных в скафандры и защитные шлемы. А высокоточные машины для производства микросхем «парят» на специальных платформах, освещенные желто-оранжевым светом…

Этапы производства кристаллов микросхем и фотолитография

Интегральные микросхемы делают на поверхности монокристаллического кремния (Кремний (Si) используется потому, что он является наиболее подходящим для этих целей полупроводником. В свою очередь, полупроводники — это класс материалов, чья электрическая проводимость находится посреди между проводимостью проводников (главным образом, металлов) и изоляторов (диэлектриков). Кремний также может выступать как в качестве диэлектрика, так и в качестве проводника — в зависимости от количества и типа присутствующих в нем примесей других химических элементов. И эта особенность широко используется при производстве микросхем. Впрочем, в редких случаях вместо кремния применяют и другие материалы. В частности, Intel умеет внедрять в свой 90-нм техпроцесс биполярные транзисторы с гетеропереходами (HBT) на кремний-германии (SiGe)) путем последовательного создания различных слоев на тонкой (меньше миллиметра) круглой (диаметром до 30 см) кремниевой пластине, именуемой подложкой [Тонкие пластины нарезаются из тяжеленной длинной цилиндрической болванки монокристаллического кремния, которая выращивается специальным прецизионным способом. Затем пластины полируются до зеркального блеска механическими и химическими методами. «Рабочая» поверхность (то есть та, на которой далее создается микросхема) пластины должна быть гладкой и совершенной на атомарном уровне и иметь весьма точную кристаллографическою ориентацию (подобно различным граням бриллианта при огранке, но еще более совершенной)]. Слои формируются при помощи различных процессов с использованием химических реактивов, газов и света. Производство современных микропроцессоров является сложным процессом, состоящим из трехсот с лишним шагов — более двадцати слоев «витиевато» соединены между собой, дабы сформировать схему микропроцессора с трехмерной структурой. Точное число слоев на подложке (вафле) зависит от дизайн-проекта конкретного процессора. Сотни идентичных микропроцессоров создаются на одной кремниевой подложке и на финальной стадии разрезаются на отдельные прямоугольные кристаллы — чипы.

Процессы формирования различных слоев и рисунков элементов микросхемы на подложке достаточно хитроумны (фактически это целая область науки), однако в их основе лежит одна простая идея: поскольку характерные размеры создаваемого рисунка настолько малы (Например, ячейка кэш-памяти процессора на 90-нм ядре Prescott в сто раз меньше красной кровяной клетки (эритроцита), а один ее транзистор — величиной с вирус гриппа), что осаждать те или иные материалы в нужных местах просто невозможно, поступают проще — материал осаждают сразу на всю поверхность подложки, а затем его аккуратно удаляют из тех мест, где он не нужен. Для этого служит процесс фотолитографии.

Что такое «чистая комната» и почему они используются на полупроводниковых фабриках?

Кристаллы микросхем должны производиться в условиях контролируемого и очень чистого воздуха. Поскольку функциональные элементы (транзисторы, проводники) на микрочипах очень малы, любая чужеродная частица (пыль, дым или чешуйки кожи), попавшая на пластину с будущими микросхемами на промежуточных стадиях ее производства, способна вывести из строя целый кристалл. «Чистые комнаты» классифицируются по размеру и количеству микрочастиц, присутствующих в единице объема (кубическом футе, примерно равном одной тридцатой части кубометра) воздуха. Например, комнаты класса 1, используемые в современном производстве, примерно в тысячу раз чище, чем хирургическая операционная. «Чистая комната» управляет чистотой воздуха путем фильтрации поступающего воздуха, удалением грязи с установок, ламинарным перемещением воздуха от потолка к полу (примерно за шесть секунд), регулировкой влажности и температуры. Люди в «чистых комнатах» ходят в специальных скафандрах, закрывающих, в том числе, весь волосяной покров (а в ряде случаев — даже с собственной системой дыхания). Для устранения вибраций чистые комнаты располагаются на собственном виброзащитном фундаменте.

Фотолитография является незыблемой основой производства микросхем, и в обозримом будущем ей вряд ли найдется достойная замена. Поэтому имеет смысл рассмотреть ее подробнее. Например, нам нужно создать рисунок в слое какого-то материала — диоксида кремния или металла (это наиболее распространенные в современном производстве операции). Прежде всего, на подложке тем или иным способом создается тонкий (обычно тоньше одного микрона) и сплошной, без дефектов, слой нужного материала. Далее на нем проводится фотолитография. Для этого сперва на поверхность пластины наносится тонкий слой светочувствительного материала, называемого фоторезистом (Фоторезист наносится из жидкой фазы, равномерно распределяется по поверхности пластины вращением в центрифуге и сушится до затвердевания).  Затем пластина с фоторезистом помещается в прецизионную установку, где нужные участки поверхности облучаются ультрафиолетом сквозь прозрачные отверстия в фотомаске (ее еще называют фотошаблоном). Маска содержит соответствующий (наносимый на поверхность пластины) рисунок, который разрабатывается для каждого слоя в процессе проектирования микросхемы. Под действием ультрафиолета облученные участки фоторезиста меняют свои свойства так, что становится возможным их селективно удалить в определенных химических реактивах (Существует негативный и позитивный фоторезист. Один при облучении «крепчает», поэтому удаляют его необлученные участки, а другой, наоборот, теряет химическую стойкость, поэтому удаляются его облученные участки. Соответственно, различают позитивную и негативную фотолитографию). После снятия фоторезиста остаются открытыми только те области поверхности пластины, над которыми требуется совершить нужную операцию — например, убрать слой диэлектрика или металла. Они успешно удаляются (эта процедура называется травлением — химическим или плазмохимическим), после чего остатки фоторезиста можно окончательно убрать с поверхности пластины, оголив сформированный в слое нужного материала рисунок для дальнейших действий.Фотолитография завершена.

При производстве современных микропроцессоров приходится совершать операции фотолитографии до 20–25 раз — каждый раз над новым слоем. В общей сложности это занимает несколько недель! В одних случаях это слои изолирующих материалов, служащих подзатворным диэлектриком транзисторов или пассивирующими (изолирующими) прослойками между транзисторами и проводниками. В других — это формирование проводящих поликремневых затворов транзисторов и соединяющих транзисторы металлических проводников (В целях упрощения часть операций иногда совмещают — например, так называемые самосовмещенные затворы изготавливаются на базе одной и той же фотолитографии одновременным формированием рисунка подзатворного диэлектрика и тонкого поликремниевого затвора). В третьих — это формирование селективно легированных областей (главным образом — стоков и истоков транзисторов), причем легирование участков поверхности монокристаллической кремниевой пластины ионизированными атомами различных химических элементов (с целью создания в кремнии полупроводниковых областей n- или p-типа) производится не через окна в фоторезисте (он слишком нестоек для этого), а сквозь рисунок в достаточно толстом слое нанесенного диэлектрика (например, того же оксида кремния). После чего диэлектрик удаляется вместе с фоторезистом.

Иногда применяется и такой интересный метод, как взрывная фотолитография. То есть сперва формируется рисунок (вытравливаются окна в фоторезисте или временном слое диэлектрика), затем на поверхность пластины наносится сплошной слой нового материала (например, металла), и, наконец, пластина помещается в реактив, удаляющий остатки фоторезиста или временный диэлектрик. В результате удаляемый слой как бы «взрывается» изнутри, унося с собой лежащие на нем куски нанесенного последним металла, а в предварительно «открытых» участках (окнах) металл остался и сформировал нужный нам функциональный рисунок (проводников или затворов). И это только верхушка айсберга, называемого микроэлектронной технологией, в основе которой лежит принцип фотолитографии.

Межсоединения — то есть электрические соединения между транзисторами в микросхемах (объединяющие несколько транзисторов в отдельные функциональные ячейки, а ячейки — в сложные блоки) — создаются при помощи нескольких металлических слоев, подобно тому, как на сложных печатных платах (материнских платах, видеокартах, модулях памяти и пр.) отдельные микросхемы, транзисторы, резисторы и конденсаторы объединяются в законченные схемы. Только здесь это происходит на микромасштабах. В качестве металла для межсоединений в современных микропроцессорах, изготавливаемых по 130-нм и 90-нм технологиям, как правило, выступает медь (Хотя раньше большинство производителей использовало алюминий. А в специальных дорогих схемах для этих целей может использоваться и золото. Серебро тут не прижилось в силу некоторых негативных физических эффектов — например, электромиграции в кремний). Новейшие микропроцессоры насчитывают от семи до десяти слоев межсоединений (Напомню, что, например, материнские платы обычно имеют четыре или шесть слоев металлизации), причем у разных производителей число слоев может разниться: для 0,13-микронного и 90-нм техпроцессов Intel Pentium 4 имеет семь или восемь слоев соответственно, тогда как AMD Athlon 64 — девять слоев в обоих случаях (см. рис. 3 в первой части), а процессоры IBM — еще больше (до одиннадцати слоев). И это не предел — в будущих более сложных чипах число слоев межсоединений наверняка возрастет. Для уменьшения паразитных связей между слоями металлизации нынче используется уже не традиционный диоксид кремния, а специальный материал (low-k) с более низкой диэлектрической проницаемостью (это снижает емкости между слоями).

Таким образом на поверхности кремниевой пластины создается сложная трехмерная структура толщиной в несколько микрон, которая, собственно, и является электронной схемой. Сверху схема покрывается толстым (микроны) слоем пассивирующего диэлектрика, защищающего тонкую структуру от внешних воздействий. В нем лишь открываются окна для больших, стороной в десятки микрон, квадратных металлических контактных площадок, через которые на схему подаются извне питающие напряжения и электрические сигналы. А снизу механической основой микросхемы служит кремниевая пластина толщиной в сотни микрон. Теоретически, такую схему можно было бы сделать очень тонкой (10–30 мкм) и при желании даже «свернуть в трубочку» без потери функциональности. И подобные работы уже некоторое время ведутся в отдельных направлениях, хотя традиционные кристаллы микросхем (чипы) по-прежнему остаются «несгибаемыми».

После завершения технологических процедур каждый из кристаллов на пластине тестируется (подробнее об этом — в следующей статье), а потом пластина разрезается на отдельные кристаллы (прямоугольные чипы) при помощи алмазной пилы (Перед разрезанием на кристаллы толщина пластины у современных микропроцессоров уменьшается примерно на треть при помощи механической полировки. Это позволяет помещать их в более компактные корпуса. Полировка обратной стороны преследует также цели удаления посторонних материалов с последующим формированием электрического и адгезионного контактов к подложке при корпусировке). Далее каждый чип упаковывается в свой корпус, что позволяет подключать его к другим приборам. Тип упаковки зависит от типа микросхемы и от того, как она будет использоваться. Напоследок все упакованные чипы тестируются еще раз (негодные отбраковываются, годные проходят специальные стресс-тесты при различных температурах и влажности, а также проверку на электростатический разряд), сортируются по характеристикам и соответствию тем или иным спецификациям и отгружаются заказчику.

Технология Intel Copy Exactly

У большинства производителей микросхем оборудование и процессы, используемые в лабораториях для исследований и разработок, отличаются от того, что применяется на фабриках производства готовой продукции. И при переводе производства с опытного на серийное часто возникают серьезные задержки, связанные с тем, что на новом оборудовании требуется заметно дорабатывать и адаптировать технологические процессы, чтобы достичь высокого процента выхода годной продукции, ранее полученного в лабораториях. Это не только задерживает массовое производство, но и приводит к изменениям сотен параметров техпроцессов и даже конечных изделий. То же самое справедливо, если процесс, отлаженный на одной фабрике, переносится на другую с новым оборудованием.

Чтобы предотвратить возможные издержки, корпорация Intel, имеющая уже более десятка полупроводниковых фабрик, несколько лет назад внедрила у себя технологию Copy Exactly, суть которой в том, что при переносе технологии изготовления того или иного продукта из лаборатории на фабрику или между разными фабриками производится полное, до мелочей повторение (дупликация) всего, что с этим техпроцессом связано. Для этого, в частности, менеджеры с заводов участвуют в разработке продукта. А при переносе технологии копируется буквально все — не только входные и выходные параметры процессов (более 500!), но и их протекание, оборудование и параметры его настроек, поставщики исходных материалов для техпроцессов, трубопроводная система, чистые комнаты и даже методики обучения персонала.

Эта новаторская методика переноса технологий оказалась очень успешной. Сегодня она позволяет заводам выходить на полную мощность практически сразу после запуска — в течение нескольких недель. К тому же технология Copy Exactly придает фабрикам одной корпорации большую гибкость: начатые на одном заводе, пластины без ущерба для качества и выхода годных могут быть завершены на другом. А в случае аварии или реорганизации одной из фабрик другие «подхватят» ее дело и бизнес практически не пострадает. Эту технологию по достоинству оценивают и конкуренты — например, AMD и IBM, — хотя между ними в настоящее время она неприменима, поскольку их технологические маршруты несколько различаются.

Полупроводниковые фабрики

Сейчас в промышленности по производству чипов подходит к завершению одна из тех революций, которые раз в десятилетие меняют облик индустрии. Изготовители переходят от подложек диаметром 200 мм к подложкам диаметром 300 мм (см. фото справа), в результате чего появляется возможность заметно удешевить производство микросхем, а вместе с этим — всей электронной полупроводниковой продукции. Дело в том, что подложка диаметром 300 мм обеспечивает 225-процентное увеличение площади кремниевой пластины и 240-процентное увеличение полезного выхода чипов с каждой подложки. Кроме того, значительно улучшаются и экологические характеристики производства, которое требует меньшего расхода химических реактивов и энергии в пересчете на каждый процессор, создает меньше отходов. По данным Intel, по сравнению с заводом, работающим на 200-миллиметровых подложках, новая фабрика выбрасывает на 48% меньше летучих органических веществ, расходует на 42% меньше сверхчистой воды и примерно на 40% меньше энергии. На 50% сокращаются затраты труда.

Современные «300-мм» фабрики — это гигантские промышленные предприятия стоимостью около 2 млрд. долларов и площадью более сотни тысяч квадратных метров. Лишь немногие из современных компаний-производителей чипов (двадцатку лидеров см. во врезке на стр. 34) могут позволить себе вложения в такие дорогие фабрики. Ведь для постройки и дальнейшей эксплуатации подобных предприятий требуется достичь уровня ежегодных продаж в размере как минимум 6 млрд. долларов в расчете на каждую фабрику. Подобные фабрики принято называть «foundry» — один из переводов этого термина на русский язык означает «литейное производство». Название олицетворяет колоссальный индустриальный масштаб: ювелирный процесс изготовления высокотехнологичных элементов микропроцессоров становится на промышленный поток, масштаб которого сравним разве что с масштабом производства продукции огромными металлургическими цехами. В 2000 году, когда продажи чипов были на подъеме, всего десять компаний в мире имели объемы продаж выше 6 млрд. долларов. Из «старой гвардии» сегодня только Intel, IBM, Infineon, AMD, Texas Instruments и Samsung владеют собственными действующими фабриками по производству микросхем на 300-мм подложках. Другие создаются и управляются совместно объединениями компаний — например, «Motorola — Philips — STMicroelectronics — Taiwan Semiconductor». Несомненным лидером в планах постройки новых фабрик является Тайвань. Уже в 2001 году на острове была изготовлена пятая часть всего мирового производства подложек, а к 2010 году эта доля может достичь 40%. На пятки Тайваню наступают Китай, Малайзия и Сингапур — они планируют построить 15 фабрик, пять из которых будут работать на 300-мм пластинах.

У корпорации Intel таких действующих в промышленном масштабе фабрик уже четыре: F11X в Рио-Ранчо (штат Нью-Мексико), две — D1C и D1D — в Хиллсборо (штат Орегон) и недавно введенная в строй Fab 24 в ирландском городке Лейкслип (Leixlip). Все они могут выпускать процессоры по 90-нм технологии; пятая же, Fab 12 в Чандлере (штат Аризона) для 65-нм техпроцесса, будет переведена на 300-мм пластины к 2005 году. А, например, у AMD ввод в строй первой 300-мм фабрики Fab 36 планируется лишь в следующем году, см. обзор на www.terralab.ru/system/33692. Как полагают эксперты, существующие фабрики с 200-мм подложками смогут продержаться «на плаву» до 2005 года, после чего они уже не смогут выдержать ценовой конкуренции с 300-мм процессом. К 2005 году чипы будут делаться по технологии 65 нм, а на микропроцессорах будет интегрировано по миллиарду транзисторов! Чипы станут настолько крошечными, что позволят встраивать сотовые телефоны с голосовым набором номера в авторучку.

Почему фабрики для производства микросхем так дороги (до 5 млрд. долларов)? Полупроводниковые фабрики выполняют наиболее сложные задачи среди всех фабрик в мире. Они используют только специализированные материалы, болты, конструктивные элементы, оборудование и пр. Кроме того, интеловские фабрики, например, почти вдвое больше, чем средний размер подобных заводов в мире. Само здание стоит примерно 25% от общей стоимости фабрики и еще лет десять после постройки остается сооружением, пригодным для решения самых современных задач. Оборудование (установки для фотолитографии, газофазного осаждения, ионной имплантации) и автоматы на этаже стоят остальные 75%.

Дополнительные измерения проводятся для того, чтобы убедиться в виброустойчивости фундамента и установок. Даже если фабрика — внешне одно здание, на самом деле это несколько зданий, отделенных друг от друга набольшими (до 10 см) промежутками, и каждое здание имеет собственный фундамент. Это помогает гасить различные вибрации — как от внешних источников (автотранспорта, поездов), так и собственных вибраций оборудования.  

Любопытные факты о первой 300-мм фабрике Intel Fab 11X

  • Автоматизированная система обработки подложек фабрики Fab 11X включает в себя более 5 км монорельсовых дорог и 165 кареток для доставки контейнеров с подложками на обрабатывающие центры завода.
  • Компьютерная система, обслуживающая Fab 11X, насчитывает триста серверов, полтысячи клиентских компьютеров, 25 тысяч гигабайт дисковой памяти, более 40 км оптоволоконного и более 900 км медного сетевого кабеля.
  • Fab 11 значительно превосходит по масштабам все ранее существовавшие в мире полупроводниковые производства. Общая площадь «чистых» помещений завода составляет 27 тысяч квадратных метров. С открытием Fab 11X этот показатель увеличится примерно на 18 тысяч квадратных метров.
  • На пике строительства в сооружении F11X участвовало 3 тысячи человек, отработавших в общей сложности 5,3 млн. часов. При этом уровень травматизма оказался рекордно низким — вчетверо ниже среднестатистического для строительной отрасли США.
  • Чтобы пересечь в среднем темпе все «чистые» помещения Fab 11 и Fab 11X, потребуется не менее десяти минут.
  • Затраты рабочего времени в человеко-часах на каждый день строительства F11X были выше затрат времени на строительство двух жилых домов.
  • На строительство F11X ушло около 50 тысяч кубометров (около 6700 машин) бетона. Таким количеством бетона можно было бы покрыть десятиметровым слоем футбольное поле.
  • Под заводом устроено 1300 подземных кессонов глубиной 15–25 метров каждый. На подземную часть здания ушло больше бетона, чем на надземную.
  • Please enable JavaScript to view the comments powered by Disqus.

    old.computerra.ru

    Как выбрать оборудование для производства печатных плат? :: BusinessMan.ru

    По какому принципу целесообразно выбирать оборудование для производства печатных плат? Попробуем разобраться в этом в данной статье.

    Изготовление печатных плат – как бизнес или для собственных нужд

    Итак, в первую очередь необходимо руководителю фирмы решить – изготавливать печатные платы для собственного потребления или на этом строить бизнес. От этого зависит, какое оборудование для производства печатных плат необходимо приобрести. Так, внутреннее потребление будет требовать небольшого объема такого изготовления. Если же это будет основным видом деятельности, то нужно позаботиться о том, чтобы приобрести достаточно дорогостоящий станок для производства печатных плат.

    Автоматизация производства – обязательное условие данной отрасли

    Такой принцип обеспечит высококлассное оборудование для производства печатных плат. Это необходимо не только для снижения затрат на дополнительную численность персонала, но и для обеспечения максимального снижения риска влияния человеческого фактора на качество готовой продукции с целью автоматического управления производством (ведение электронного документооборота, электронной диспетчеризации и логистики).

    Правильно подобранное оборудование для производства печатных плат позволит существенно снизить риск загрязнения экологии. Так, данный процесс зачастую связан с достаточно агрессивными стоками, если вовремя не принять специальные меры.

    Конечно, нельзя забывать и о планировании своего будущего. В этом помогут новые технологии, внедрение которых можно заменить обычной модернизацией функционирующего уже на предприятии оборудования.

    Технологии производства печатных плат

    На самом деле, существует несколько технологий такого производства. Рассмотрим некоторые из них. Так, например, это тентинг-процесс, которые содержит, по сравнению с другими технологиями, меньше операций и требует оборудования попроще. Однако если использовать фольгированный алюминий для производства печатных плат, его осаждение и травление зачастую способствуют возникновению большого количества брака. Возможность несовмещения рисунков пленочного фоторезиста с необходимыми отверстиями способствует осторожности в оценке его преимуществ.

    Существует и другая технология производства печатных плат – процесс прямой металлизации. В современном производстве при использовании субтрактивных методов (травления фольги) указанный процесс является достаточно прогрессивным. При использовании данной технологии производители избавляются от необходимости химического меднения и гальванической затяжки, что существенно повышает надежность всех внутренних межсоединений на печатной плате.

    Однако если требуется высококачественное разрешение рисунка, то производителю нужно будет использовать химическое меднение.

    В последние годы довольно успешно используются лазерные методы формирования рисунков с помощью испарений меди из зазоров. Данный процесс связан с боковым подтравливанием. При этом размер зазора в рисунках определяется длиной волн и апертурой оптических систем, выделяющих область энергии из излучения. Таким образом, с помощью лазерного метода можно делать толстые проводники. К примеру, ультрафиолетовые лазеры в медном покрытии воспроизводят зазор шириной до 20 мкм. При этом до основания освободить от меди зазор невозможно, так как при утончении фольги начинает нагреваться диэлектрик у основания и может произойти тепловой взрыв под фольгой. Именно поэтому данный процесс не доводят до самого конца, а оставляют около 3 мкм металла, который впоследствии вытравливают дифференциальным способом.

    Преимущество полуаддитивного метода – лучшее разрешение рисунка. Однако многие производители печатных плат не спешат его использовать, так как субтрактивный метод гарантирует большую устойчивость при обеспечении адгезии меди с подложками.

    Комплектование процесса производства

    Оборудование для гальванических и химических процессов ориентируется на конкретный набор химикатов, которые используются при прямой металлизации, иммерсионных процессах, для гальваники и прочих концентратов, их применение избавляет данное производство от необходимости проведения химических анализов.

    Достаточно высокая производительность у растровых лазерных фотоплоттеров обеспечивается фотошаблонами, что позволяет организовать трехсменную работу производства. Другими словами, изготавливать рабочие фотошаблоны сразу без фотооригиналов. Таким образом будут устранены существенные потери времени.

    Вывод

    С внедрением технологических новшеств требуются соответствующие доработки в существующих технологиях и модернизация действующего оборудования производства печатных плат. Это приводит к активному заимствованию эффективных зарубежных технических решений. Прослеживается постоянно возрастающий интерес со стороны инвесторов к вложению капитала в данное производство.

    businessman.ru


    Смотрите также