Полупроводники // Алексей Хвальковский

Полупроводниковое производство. Как выбрать фабрику и начать с ней работать

Facebook
Twitter
Google+
Pinterest
Vkontakte
Odnoklassniki
384 4
Что представляет собой полупроводниковое производство, каковы правила выбора фабрики и выстраивания взаимоотношений с ней и из каких основных компонент состоят бюджет и расписание производства?

Современные полупроводниковые фабрики стоят десятки миллиардов долларов и являются одним из самых сложных и дорогих видов технологической деятельности, результаты которой при этом можно найти почти в каждом доме на планете. В этой статье мы рассказываем о жизни этих фабрик в контексте перечисленных выше вопросов.

Меня зовут Алексей Хвальковский, я отвечаю за дизайн и тестирование продуктов в компании «Крокус Наноэлектроника». Мы производим микроэлектронные компоненты на кремниевых пластинах и создаем продукты энергонезависимой памяти и радиочастотной идентификации (RFID).

Современные полупроводниковые фабрики стоят десятки миллиардов долларов. Полупроводниковое производство является одним из самых сложных и дорогих видов технологической деятельности, результаты которой при этом можно найти почти в каждом доме на планете.

В своей лекции, которая размещена ниже, я объясняю, что представляет собой полупроводниковое производство, из каких компонентов состоит его бюджет и расписание, каковы правила выбора фабрики и выстраивания взаимоотношений с ней. Надеюсь, по итогам лекции у вас появится понимание ответов на эти вопросы, что позволит ориентироваться в мире производства микросхем, но для начала давайте разберемся в некоторых базовых понятиях и процессах.

Из каких этапов состоит полупроводниковое производство и чем процесс производства микросхем похож на создание фотографий?

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), — ее диаметр может быть от 100 мм до 300 мм, а толщина чуть меньше миллиметра. И далее начинается сложный технический процесс, похожий на создание фотографии.

На каждом этапе на поверхность пластины наносится фоторезист — слой, свойства которого изменяются при засвете: например, в нем под воздействием излучения создаются молекулярные связи и он становится более твердым. 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 (это специальные элементы, которые используются для обеспечения требуемых физических или механических свойств), нанесение слоев металлов или диэлектриков, операции жидкостного или газового травления и другие. С помощью таких физических воздействий, локализованных согласно рисунку маски, создается геометрия и функционал микросхемы. При производстве пластины эти операции повторяются десятки раз, каждый раз слой за слоем выстраивая разнообразную по физическому составу трехмерную структуру микросхемы.

Отмечу, что 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 еще иногда называют, металлизации. Чтобы связать элементы в единую логическую сеть — а в современном изделии могут быть десятки и даже сотни миллиардов транзисторов, — создается многоуровневая сеть из металлических проводников, или так называемых межслойных соединений.

Здесь скажу несколько слов про компанию «Крокус Наноэлектроника». 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 нее специальные элементы — ячейки памяти, или пассивные компоненты, для изготовления которых требуются специальные материалы или процессы. О том, почему подобные операции полупроводниковым фабрикам с полным FEOL- и BEOL-циклом бывает интересно отдавать сторонним производителям, расскажу ниже.

Когда обработка пластин завершена, они передаются в монтажно-испытательный цех. После чего прошедшие тест кристаллы вырезаются из подложки специальным устройством. На одной подложке диаметром 300 мм помещается около 50 тыс. микросхем размером 1х1 мм², например сенсоров или RFID-чипов.

Обычно производство партии пластин на заводе занимает два-три месяца. Однако расписание зависит от многих факторов — технологии, контракта и загруженности фабрики, — и время выхода лота может варьироваться в широких пределах: от месяца до полугода и больше.

Что такое «чистые комнаты» и почему полупроводниковый завод стоит миллиарды долларов?

Микросхемы производят в помещениях с очень высокими требованиями к чистоте воздуха. Это необходимо потому, что размер современных транзисторов и проводников настолько мал (10 нанометров, к примеру, составляют примерно 1/10 000 толщины волоса), что любая пылинка, чешуйка кожи или микроорганизм способны повредить кристалл. Поэтому воздух на полупроводниковых предприятиях должен быть чище, чем в операционной. В связи с этим он постоянно фильтруется, а сотрудники фабрик работают в специальных костюмах. На этом видео, например, можно посмотреть, как выглядит «чистая комната» на одном из заводов компании GlobalFoundries.

Кроме чистоты воздуха в таких помещениях также контролируются температура, влажность, электричество, давление и вибрации. Чтобы исключить вибрации, «чистые комнаты» находятся на специальном виброзащитном фундаменте. Очевидно, что организация подобных комнат требует больших затрат — это первый компонент стоимости полупроводникового производства.

Следующий компонент — производственное оборудование. При создании микросхем используются фотолитографические камеры, камеры осаждения материалов из газовой и жидкой фаз, камеры травления, полировки, тестирования. Каждая из них обладает высокой прецизионностью: нужно обеспечить одинаковые параметры многих триллионов транзисторов размером порядка 10 нанометров на 300-миллиметровой пластине! Однако обратная сторона прецизионности — узкая специализированность: например, машина для травления алюминия не может травить медь. А также цена: каждая из этих машин может стоить единицы или десятки миллионов долларов, а на крупных фабриках таких аппаратов требуются десятки.

И третий компонент стоимости — системы снабжения. Машины должны обеспечиваться электричеством, водой, воздухом, специализированными газами и жидкостями, многие из которых высокотоксичны. И все эти компоненты должны тщательно и с соблюдением многих норм безопасности и экологичности, контролироваться на входе в пространство производственного контура и на выходе из него. Этот контроль также осуществляется с помощью специализированного и дорогого оборудования.

Таким образом, стоимость фабрики складывается обычно из трех компонентов: организация «чистых комнат», оборудование и системы снабжения. Стоимость всего этого составляет миллиарды долларов. Так, например, затраты на 5-нм полупроводниковый завод, который TSMC собирается построить в Аризоне, оцениваются в $12 млрд.

Как фабрики работают с заказчиками и что может стать причиной отказа в запуске производства?

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 заходе 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.

Какие сложности могут возникнуть в процессе производства и какова цена ошибки?

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 на производстве. Чаще всего они происходят при производстве дизайнов, использующих нестандартные технологические маршруты.

При этом, если погрешность возникает на этапе проектирования, ее 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 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 бэкэнд производится дольше, значит, оборудование фронтэнда 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».

Что еще почитать о полупроводниковом производстве?

  • Материал об истории полупроводникового производства
  • Справочник по процессу производства  — от подготовки материалов до упаковки и тестирования.

    ПОДПИШИСЬ НА НАШУ ТЕХНО-РАССЫЛКУ
    ПОДПИШИСЬ
    НА НАШУ ТЕХНО-РАССЫЛКУ