Как выбрать фабрику по производству полупроводников и начать с ней работать

Полупроводниковое производство — один из самых сложных и дорогих видов технологической деятельности. Современные полупроводниковые фабрики стоят десятки миллиардов долларов, но при этом их продукцию можно найти почти в каждом доме на планете. Что же представляет собой массовое полупроводниковое производство, из каких составляющих складывается его бюджет и расписание, каковы правила выбора фабрики и выстраивания с ней взаимоотношений? Все эти вопросы я затрону в своём материале.

Большинство процессов полупроводникового производства происходит примерно одинаково. Сначала берется полупроводниковая пластина — это диск из очень чистого монокристаллического слитка кремния с заданным типом проводимости (n или p). Её диаметр может быть от 100 мм до 300 мм, а толщина чуть меньше миллиметра.

Далее на каждом этапе на поверхность пластины наносится фоторезист — слой, свойства которого изменяются при засвете: например, в нём под воздействием излучения создаются молекулярные связи, и он становится более твёрдым. Затем пластину засвечивают с помощью лазера или ультрафиолета через специальное изображение — маску — с рисунком одного из слоев будущей микросхемы. Излучение, проходя через маску, проецирует изображение будущей схемы на пластину, засвечивая отдельные участки поверхности. После этого пластина обрабатывается таким образом, чтобы полученный рисунок проявился и зафиксировался.

До сих пор описанные операции повторяют то, что происходит при создании фотографий. Однако, конечно же, есть и другие процедуры: когда изображение слоя создано, одной из операций может быть бомбардирование пластины атомами легирующих элементов, нанесение слоев металлов или диэлектриков, операции жидкостного или газового травления и другие.

С помощью таких физических воздействий, локализованных согласно рисунку маски, создается геометрия и функциональность микросхемы. При производстве пластины эти операции повторяются десятки раз, каждый раз слой за слоем выстраивая разнообразную по физическому составу трёхмерную структуру микросхемы.

При этом в полупроводниковом процессе выделяют два основных этапа: Front End of Line (FEOL) и Back End of Line (BEOL). Первый, FEOL, относится к операциям с кремнием, в рамках которых создаются все транзисторы и другие элементы на кремниевом слое — диод, конденсаторы, поликремниевые резисторы и так далее.

Создание связей между кремниевыми компонентами пластины происходит во время следующего этапа, BEOL, или, как его ещё иногда называют, металлизации. Чтобы связать элементы в единую логическую сеть — а в современном изделии могут быть десятки и даже сотни миллиардов транзисторов, — создаётся многоуровневая сеть из металлических проводников, или так называемых межслойных соединений.

Здесь нужно сказать несколько слов про компанию «Крокус Наноэлектроника», где я отвечаю за дизайн и тестирование микроэлектронных компонентов на кремниевых пластинах. Это фабрика, работающая только с этапом BEOL. Наша ниша — операции BEOL, которые нетипичны для стандартных полупроводниковых производств. Например, помимо создания связей между компонентами пластины мы интегрируем в неё специальные элементы — ячейки памяти, или пассивные компоненты, для изготовления которых требуются специальные материалы или процессы.
Когда обработка пластин завершена, они передаются в монтажно-испытательный цех. После чего прошедшие тест кристаллы вырезаются из подложки специальным устройством.

Микросхемы производят в помещениях с очень высокими требованиями к чистоте воздуха, называемых «чистыми комнатами». Это необходимо потому, что размер современных транзисторов и проводников очень мал (10 нанометров, к примеру, составляют примерно 1/10 000 толщины волоса).

Как правило, разрабатывая дизайн микросхемы, дизайн-центры изначально исходят из технологических возможностей фабрик. Скажем, для некоторых проектов нужны транзисторы, которые были бы очень быстрыми и потребляли бы очень малое количество энергии, — именно такие, например, современные процессоры в смартфонах. В этом случае компании идут на фабрику, на которой самый передовой технологический процесс, то есть минимальные нанометры. А если же заказчику нужны транзисторы, которые перемещают большие токи, он идет на завод, который производит силовые электронные компоненты. То есть технология является определяющим фактором при выборе производства.

Второй критерий — это цена. Причем один и тот же технологический процесс на разных фабриках может различаться по стоимости запуска. Как и в других рыночных сферах, тут действует правило: чем известнее производитель, тем выше у него цена для небольшого клиента. Но это не только дань популярности: производство на фабрике, которая у всех на слуху, будет дороже за счет того, что она обладает более качественным и отработанным процессом.

Менее известные производители предлагают услуги дешевле, но и качество из-за этого может страдать, потому что у таких фабрик менее точные модели технологии и чаще возникают отклонения от технологического процесса. Однако иногда заказчик понимает, что партия у него небольшая, цена конечного устройства ограничена, и поэтому не выбирает самый передовой и дорогой процесс, а исходит из минимальных требований, которые существуют для его продукта.

И третий критерий при выборе производства — способность заказчика договориться с фабрикой. Заводы берут не все проекты подряд, а также ставят между собой и конечными пользователями барьеры из посредников, что увеличивает цену производства и время отклика. Поэтому при обращении на фабрику часто существует элемент торговли и позиционирования своего продукта, для того чтобы его приняли. Завод, например, может запросить информацию о планируемом объеме продаж, и, если он его не удовлетворяет, отказать в запуске.

Даже в условиях постоянных проверок иногда бывает так, что дизайн от компьютерной модели работает хорошо, а в кремнии нет. Это может быть вызвано как недостатками дизайна, так и качеством моделей, которые предоставляет фабрика. И, конечно, человеческими ошибками. Чаще всего они происходят при производстве дизайнов, использующих нестандартные технологические маршруты.

При этом если погрешность возникает на этапе проектирования, её можно быстро обнаружить, и это относительно недорого, но чем дальше в процессе создания микросхемы происходит ошибка, тем она дороже. Запуски производства сегодня могут стоить от единиц до сотен миллионов долларов в зависимости от того, какая технология используется. Но стоит сказать, что ошибки на современных полупроводниковых заводах случаются довольно редко. Это обусловлено тем, что процесс инкапсулирован во множество разных оболочек автоматизации, которые позволяют уберечь продукцию от проблем с оборудованием и человеческих факторов.

Среди других сложностей производства можно выделить загрязнение. Его источником могут быть рабочий персонал, окружающая среда, оборудование, технологические процессы, а также нестандартные материалы, используемые на производстве. Именно из-за опасности загрязнения фабрики обычно боятся применять нестандартные материалы, потому что небольшое количество атомов, прилипших к пластине, может разнестись по всей линии и испортить оборудование.

Кроме того, фабрики не любят, когда происходит дисбаланс между операциями FEOL и BEOL. Существует некоторое стандартное отношение между тем, сколько времени пластина проводит на операциях обоих этапов, и оборудование в целом подобрано под это среднее значение. А если бэкенд производится дольше, значит, оборудование фронтенда простаивает, что приводит к большим экономическим потерям.

Последние два фактора — опасность загрязнения линии и дисбаланс между FEOL и BEOL — определяют спрос на проведение нестандартных операций на сторонних предприятиях. Это является, в том числе, одной из специализаций компании «Крокус Наноэлектроника».