Хабрахабр

Мал, да удал: реальный взгляд на японский проект Minimal Fab

16 мая в МИЭТ (Зеленоград) прошел уже традиционный семинар-встреча с японскими разработчиками и производителями компактной технологической линеек, так называемого Minimal Fab.

Предыдущий большой семинар проходил там же в 2017, и на youtube есть почти трехчасовая запись. Давно хотел написать большую заметку на эту тему, собрал много материала, а после этой встречи окончательно «дозрел». Все-таки живая встреча, с вопросами-ответами, гораздо эффективнее, чем изучение статей. К тому же, в последнее время появилось несколько статей, где эта линейка освещается однобоко, в каком-то восхищенном и не совсем адекватном ключе «восхищения». Давайте разбираться…

Концепция уменьшения

Главным идеологом проекта Minimal Fab является японский ученый Shiro Hara. В середине 2000-х он предложил радикальный подход для снижения стоимости полупроводникового производства – идти по пути уменьшения оборудования и диаметра исходных пластин.

В этот консорциум вошли более сотни японских компаний, занимающихся разработкой материалов, оборудования и технологий.
В 2017 году была выделена отдельная организация для продвижения Minimal Fab уже в качестве готового решения на полупроводниковый рынок (компания Tokyo Boeki Group Ltd). В 2010 году для реализации этой идеи был создан консорциум при поддержке Правительства Японии и под эгидой Национального института передовых промышленных наук и технологий (AIST).

Если посмотреть на современную эволюцию полупроводникового производства, то одновременно с уменьшением минимального размера происходит увеличение диаметра пластин и увеличение производительности оборудования. Эта идея уменьшения идет в разрез с текущим мировым трендом. Это обладатели так называемых МегаФабов, в терминах концепции. Это приводит к тому, что потянуть создание современного массового производства на сегодня могут несколько компаний-лидеров, таких как TSMC, Intel, Samsung.

Мелкие производители «вымываются» с рынка, не в силах конкурировать по цене с гигантами в потребительском секторе. Они «держат» более половины всего объема рынка, обладая значительными производственными мощностями для производства массовых ИС. При этом небольшие компании находятся в неустойчивом положении, так как вынуждены следовать в общемировом тренде «гигантомании» и вкладывать значительные средства на инфраструктуру и оборудование. Либо уходят в специфические ниши уникальных продуктов, с большой маржой, но с малыми объемами. Такой вот парадокс. Условно, если я захочу сегодня построить линейку под небольшой объем, и старый уровень технологии (~ 3мкм), то мне придется потратить больше, чем это было тридцать лет назад в эквивалентных ценах.

Можно пойти в те же компании-гиганты и заказать у них «шатл», в рамках MWP. Что делать тем, кто хочет купить небольшую серию ИС? Но если требуется что-то специфическое в плане технологии, то здесь возникнет проблема. Это не будет очень дешево и не слишком быстро (цикл изготовления 1-2 месяцв для КМОП технологии 28нм). Хорошо бы иметь свою линеечку, но чтобы не дорого.) Разработка технологии стоит очень дорого, и никто не будет заниматься этим, чтобы выполнить заказ, например, на десять пластин.

Достигается это следующими решениями: Автор концепции Minimal Fab предложил значительно уменьшить стоимость «входного билета» в производство полупроводников.

5мм (площадь пластины ~122мм2). — уменьшение диаметра пластин с современного стандарта 300мм (площадь пластины ~70650мм2) до диаметра 12. Пластины изготавливаются «вырезкой» из больших пластин, с дополнительной обработкой (фото пластиночки, размещенной в кассете): Этой площади достаточно для размещения одной большой схемы или нескольких маленьких.

— пластина находится в изолированной от внешней среды капсуле (некий аналог SMIF), которая открывается только внутри установки. Обрабатывается в одном процессе только одна пластина.
(контейнер с пластиной внутри загружается в установку)

— все оборудование выполняется в унифицированном форм-факторе (габариты 1440х300х450мм), без процедуры сложного запуска и подключения. Каждая единица выполняет один тип процесса (химическая обработка, травление и т.д.).

Интерфейс и управление установок стандартизировано.

Газы и реагенты находятся внутри установок в компактных картриджах (емкостях), газы в баллонах. Не требуется инфраструктура в привычном формате МегаФабрики. Необходима вытяжка для удаления газообразных продуктов реакции и теплоотвода:

— декларируется, что при этом не требуется чистая комната в помещении, так как зона обработки пластины изолирована от среды. Внутри зоны обработки пластины за счет герметичности достигается класс чистоты ISO 4 (при внешнем классе чистоты в помещении ISO 9, обычный офис).

— безмасочный (без фотошаблона) способ формирования рисунка на пластине. Изображение формируется за счет прямого проецирования на фоторезист (классическое нанесение и проявление). Длина волны 365нм, расчетное разрешение системы 0.5мкм. Краевая зона — около 0.5мм (рабочий диаметр пластины будет составлять около 11мм).

Очевидные преимущества такой концепции:

  • снижение начальных затрат на организацию производства в десятки или сотни раз
  • не требуется строить капитальное здание с обеспечивающей инфраструктурой
  • уменьшение затрат на поддержание работы такой линейки в десятки или сотни раз по отношению к обычной линейке (за счет снижения потребления электричества, материалов, уменьшения персонала за счет стандартизации оборудования)
  • значительное ускорение времени изготовления образца (с нескольких недель до дней)
  • возможен гибридный вариант, когда некоторые операции, при условии адаптации, можно выполнять на стандартном «большом» оборудовании (ИЛ, ф\л).
  • не требуется изготовление фотошаблонов, возможна коррекция изображения в случае необходимости

Авторы концепции приводят даже следующую оценку, сравнивая МегаФаб и Minimal Fab:

Очень эффектное сравнение. Особенно оно по нраву тем, кто настаивает на том, что Minimal Fab заменит полноценную фабрику, и это есть лучший и единственный путь. Ну вот же, тут миллиарды, а здесь миллионы.

Но здесь-то и начинается столкновение концепции с реальностью.

Реальность

На сегодня уровень реализованных КМОП микросхем на линейке Minimal Fab не слишком поражает воображение. Сделаны совсем простые образцы типа NAND-ячеек и кольцевых генераторов, состоящие из 400 транзисторов. Размер затвора составляет несколько мкм, технология довольно примитивна (уровень конца 70-х, начало 80-х). На фото образцы, представленные в 2018 году на SEMI Япония.

А также слайд из презентации, где показан схематичный маршрут изготовления образцов в 2013. Маршрут из 39 операций, р-n переходы из диффузионного источника, один слой разводки…

Процессы ионного легирования на сегодня не реализованы в форм-факторе Miimal-Fab, хотя работа идет. Пока обещана энергия до 60кэВ, и два вида элементов, B и P. Больших энергий не понятно как достичь в ограниченном размере установок. Как вариант — гибридная реализация (делать процессы на обычном оборудовании, за счет специальных держателей).

8мкм, также пока не видно. Реализации хотя бы двухслойной разводки, чтобы говорить об уровне 1-0. Реализованы не все процессы ПХТ.

5мкм. Уровень фотолитографии, достигнутый сегодня разработчиками, назван до 0. Далее в планах переход на электронно-лучевую литографию, но это в перспективе. Сказано, что это вроде как шаг, но каких-то материалов не показано.

Вот так выглядит roadmap:

Пока сравнение полноценной фабрики стоимостью пять миллиардов и текущей линейки Minimal Fab выглядит несколько обманчивым. И те, кто апеллирует к этому, делают так либо по незнанию, либо наоборот, по слишком большому знанию.

Сам разработчик концепции и не противопоставляет себя TSMC, например.

На рисунке анализ полупроводниковых производителей США (слайд с презентации 2017 года). Ниша применения авторам Miniaml Fab видится.

Примерно 98 фабрик в США занимаются изготовлением полупроводников в диапазоне тех.процесса от 0.5мкм и больше, диаметр пластин от 100 и ниже. Это производители среднего и малого объема, чаще всего. Это все виды (КМОП, МЭМС, дискретные) По уровню технологии это уже сегодня примерно соответствует возможностям линейки Minimal Fab, с текущим уровнем ф\л (даже без электронного луча). Для указанных фабрик существует проблема оборудования. Новое оборудование под такой диаметр не выпускается, и вот тут формат Minimal Fab очень подходит. По подсчетам разработчиков, для замещения этих мощностей требуются тысячи линеек Minimal Fab.
В принципе, аналогичная ситуация, но в меньшем масштабе, существует и у нас в стране. У нас тоже хватает старых линеек, которые делают небольшие объемы по технологии царя Гороха (разные мохнатые серии из десяти транзисторов по лошадиными нормам и т.д.).

Вторая интересная и реально актуальная ниша — это специфические технологии.

И здесь Minimal Fab выигрывает у традиционной реализации (на фото пример реализации структуры МЭМС). SOI, МЭМС, сенсоры, гибридные схемы (КМОП+сенсор, типа болометров) дискретные, СВЧ, Backend операции типа бампирования, соединения А3В5… Все вот это вот делается на малом диаметре, как правило, небольшими объемами.

На сегодня озвучено, что уже 5-6 линеек Minimal Fab работают как функционирующие в полноценном режиме у клиентов. На семинаре выступил представитель одной из компаний, который рассказал о своем опыте применения.

То есть у них есть традиционная чистая комната с оборудованием под Backend процесс (что-то типа интерпозера под бампирование). Характерно, что они применяют оборудование Minimal Fab в гибридной формате. И несколько единиц Minimal Fab реализует процессы ф\л и химической обработки.

Продвижение у нас

У нас идею MinimalFab последовательно продвигает МИЭТ. Проводит семинары и встречи с разработчиками технологии (в рамках встречи, после конференции, состоялось подписание Соглашения между НИУ МИЭТ, ООО «Токио Боэки (РУС)» (со 100% японским капиталом) и Ассоциацией вузов, осуществляющих подготовку кадров в области радиоэлектронной промышленности).

Есть русскоязычный сайт компании Tokyo BOEKI Rus.
Пару лет назад компания ADGEX очень пафосно объявила «начало новой эры в мировой микроэлектронике», и грозилась начать с 2018 года поставки «устройств», изготовленных на Minimal Fab, но что-то пошло не так.

Подводя личный итог

  • формат Minimal Fab это не просто тренажер для обучения студентов (хотя, признаю, пару лет назад я думал скорее именно так)
  • идеально для МЭМС, датчиков, сенсоров, болометров и т.д.
  • подходит под дискретные приборы, СВЧ, силовую электроника и специфические материалы, типа SOI, А3B5.(возможно в гибридной реализации)
  • вполне реален вариант для изготовления биполярных или КМОП схем уровня 3мкм и выше, с малой степенью интеграции (например многочисленные военные серии, из десяти транзисторов и трех резисторов с лошадиными размерами, которые до сих пор куются)
  • перспективно под замену устаревших линеек малого диаметра пластин и под небольшую серию (проблема старого оборудования, которое физически никто уже не делает)
  • крайне интересна реализация корпусирования\бампирования\интерпозеры и прочее (в случае небольшой серии)
  • уровень КМОП от 0.5мкм до 0.25мкм — возможно в будущем, зависит от вложений в технологию.

Как вариант в гибридном способе (Minimal Fab на классической фабрике).

  • для полноценного КМОП и большой степени интеграции (ниже 0.25мкм) предпосылок мало, даже если будет электронно-лучевая ф\л. Все-таки размер в голом виде далеко не все определяет. Ниже 0.25мкм значительно усложняется и тех.процесс, и самое главное – составляющая дизайна.
  • ниже 0.18мкм – у разработчиков даже планов не видно в ближайшей перспективе
  • большие фабрики с нодами 28нм и ниже могут спать спокойно, Minimal Fab им не конкурент в обозримом будущем.

Материалы и ресурсы по Minimal Fab

  1. Запись большого семинара в МИЭТ, 2017.
  2. Видео о процессе изготовления, очень наглядно.
  3. Презентация SEMI EXPO Москва 2017
Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть