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.
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
1. Общие сведения о микросхемах и технологии их изготовления.
Тактико-технические, конструктивно-технологические, эксплуатационные и экономические характеристики ЭВМ и систем определяют примененные в них микросхемы , выполняющие функции преобразования, хранения, обработки, передачи и приема информации.
Микросхемой (интегральной микросхемой - ИМС, интегральной схемой - ИС) называют функционально законченный электронный узел (модуль), элементы и соединения в котором конструктивно неразделимы и изготовлены одновременно в едином технологическом процессе в общем кристалле-основании.
Теория, методы расчета и изготовления микросхем составляют основу микроэлектроники - современной наукоемкой отрасли техники.
По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы делятся на полупроводниковые и гибридно-пленочные . Полупроводниковые микросхемы имеют в своей основе монокристалл полупроводникового материала (обычно кремния), в поверхностном слое которого методами литографии и избирательного легирования создаются транзисторы, диоды, резисторы и (иногда) конденсаторы, а соединения между ними формируются по поверхности кристалла с помощью тонкоплёночной технологии . Полупроводниковые микросхемы могут быть однокристальными (монолитными) и многокристальными (микросборками) . Однокристальная микросхема может иметь индивидуальный герметизированный корпус с внешними выводами для монтажа на коммутационной (печатной) плате, или быть бескорпусной и входить в состав микросборки.
Многокристальная микросхема (микросборка) представляет собой совокупность бескорпусных микросхем, смонтированных на общей коммутационной плате . В качестве компонентов в микросборке могут присутствовать бескорпусные согласующие резисторы и развязывающие конденсаторы. Вследствие высокой насыщенности связей коммутационная плата выполняется многоуровневой и, таким образом, является миниатюрным аналогом многослойной печатной платы. При изготовлении коммутационной платы может быть использована как тонкоплёночная, так и толстоплёночная технологии.
Гибридно-плёночные микросхемы включают в себя плёночные пассивные элементы (резисторы и конденсаторы), коммутационные проводники, нанесённые непосредственно на подложку из изоляционного материала, и бескорпусные полупроводниковые кристаллы (транзисторы, диоды, диодные матрицы, несложные микросхемы), монтируемые на той же подложке. Пассивные элементы и проводники могут быть выполнены по тонкоплёночной или толстоплёночной технологии.
В качестве активных элементов в полупроводниковых микросхемах используются униполярные (полевые) транзисторы со структурой “металл – диэлектрик (оксид) – полупроводник” (МДП- или МОП-транзисторы ) и биполярные транзисторы. В соответствии с этим все полупроводниковые микросхемы делятся на три основные вида: биполярные, униполярные (МДП или МОП) и биполярно-полевые.
Число элементов в интегральной микросхеме характеризует ее степень интеграции . По этому параметру все микросхемы условно делят на малые (МИС – до 10 2 элементов на кристалл), средние (СИС – до 10 3), большие (БИС – до 10 4), сверхбольшие (СБИС – до 10 6), ультрабольшие (УБИС – до 10 9) и гигабольшие (ГБИС – более 10 9 элементов на кристалл).
Наиболее высокой степенью интеграции обладают цифровые интегральные схемы с регулярной структурой: схемы динамической и статической памяти, постоянные и перепрограммируемые ЗУ. Это связано с тем, что в таких схемах доля участков поверхности ИС, приходящаяся на межсоединения, существенно меньше, чем в схемах с нерегулярной структурой.
Укрупненные схемы технологических процессов изготовления полупроводниковых (монолитных) и гибридно-пленочных ИС приведены соответственно на рис. 1 и 2. В последующих разделах приведено описание характерных особенностей выполнения отдельных технологических операций, в основном определяющих основные параметры интегральных микросхем.
Рис. 1. Укрупненная схема технологического процесса изготовления полупроводниковых (монолитных) ИС.
Рис. 2. Укрупненная схема технологического процесса изготовления гибридно-пленочных ИС.
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 + 2H2 + Si 4SiHCl3
Данные реакции с использованием рецикла образующихся побочных кремнийсодержащих веществ снижают себестоимость и устраняют экологические проблемы:
2SiHCl3 SiH2Cl2 + SiCl4
2SiH2Cl2 SiH3Cl + SiHCl3
2SiH3Cl SiH4 + SiH2Cl2
SiH4 Si + 2H2
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 фабрика
Давайте 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
питание
2) 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.
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 дня
Грубо 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-Т
Хрен 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 РАН
Или 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.
Многие наверняка не раз задавались вопросом, почему процессоры, видеокарты и материнские платы которые мы покупаем в магазинах - разработаны и сделаны где угодно, только не в России? Почему так получается, неужели мы только нефть качать можем?
Сколько стоит запуск производства микросхемы, и почему при наличии 22нм фабрик, бОльшая часть микросхем по всему миру до сих пор делается на «устаревшем» 180нм-500нм оборудовании?
Ответы на эти и многие другие вопросы под катом.
Как же работает микроэлектронное производство и сколько все это стоит?
Транзисторы на кремниевой пластине рисуются с помощью фотолитографии, с помощью аппаратов называемых степперами или сканерами. Степпер - рисует кадр (до 26x33мм) целиком, затем переходит на новую позицию. Сканер - одновременно сдвигает маску и пластину таким образом, чтобы в каждый момент рисовать только одну узкую «строку» в центре кадра, таким образом аберрации оптической системы меньше влияют на изображение.Основные характеристики степперов/сканеров - длина волны света, на которой они работают (на ртутных лампах i-line - 365nm, затем на эксимерных лазерах - 248nm и 193nm), и численная апертура объектива . Чем короче длина волны, и чем больше апертура - тем меньшие детали могут быть нарисованы объективом в соответствии с дифракционным пределом:
Например, для одного из самых совершенных сканеров ASML NXT 1950i с длиной волны 193нм и численной апертурой 1.35, и k1=0.4(обычное значение для фотолитографии без «хитростей») получаем теоретическое разрешение 57нм. Применяя хитрости вроде фазовых масок, многократной экспозиции, оптической коррекции близости, off-axis illumination , поляризации света - получают минимальные элементы до 22нм.
Другие параметры степперов/сканеров - производительность (сколько пластин в час они могут обработать, до 220 пластин), и ошибка совмещения (на сколько нанометров в штуках промахивается позиционирование пластины относительно заданной позиции. На современных сканерах - до 3-5нм).
Степперы/сканеры печатают уменьшенное в 4–5 раз изображение вот такой маски (стеклянной пластинки с рисунком микросхемы, размер примерно 15x15см) в точно заданных местах.
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 выходе остаётся пластину разрезать на отдельные кристаллы, протестировать и поместить в корпус.
«Крутость» технологии измеряют размером минимального рисуемого элемента (отдельные части транзистора, например затвор - могут быть как меньше так и больше этой цифры - т.е. это величина достаточно условная). Понятно что чем меньше транзисторы - тем быстрее работает микросхема, и больше кристаллов влезет на пластину (но не везде нужна максимальная скорость).
Сейчас начинается медленный и мучительный переход на EUV-литографию, с длиной волны 13.5nm и зеркальной оптикой . EUV сканеры пока дороже и медленнее обычных 193нм, и только-только начинают превосходить их по достижимому разрешению.
Сколько стоит свой процессор сделать?
Цифры - грубые оценки, точных нигде не скажут без NDA.Лицензия софта на одно рабочее место разработчика микросхем - от 20"000 до 100"000$ в год и выше. Можно конечно и воровать, но за этим все вокруг следят.
Далее - 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).
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). Тут также важно помнить и о размере пластин: самые современные производства сейчас работают с пластинами диаметром 300мм - они по площади примерно вдвое больше пластин на 200мм (которые сейчас используются в России на Микроне, Интеграле и в туманном будущем на Ангстрем-Т), а последние примерно вдвое больше ещё более старых 150мм. Пластины бОльшего размера позволяют получать микросхемы меньшей стоимости при большИх заказах т.к. количество телодвижений для изготовления 100 пластин примерно одинаковое, независимо от диаметра (это одна из причин планируемого перехода передовых производств на пластины диаметром 450мм в 2018 году по оптимистичным оценкам).
Допустим мы хотим разработать x86-совместимый процессор (или любую другую относительно сложную микросхему), по более-менее современной коммерчески доступной технологии 28/32нм (22нм хоть и существует, но коммерческие заказы пока не разместить - так что доступ к технологиям иногда как любовь: за деньги не продается). Вопрос со стоимостью патентов опустим, это вообще очень печальная тема. Предположим, для разработки нужно 200 мифических человеко-лет (это если мы делаем скромный процессор, не претендующий на первое место).
Лицензии на софт - 50k$*100 = 5 млн$ (грубая оценка, не всем нужны лицензии).
Зарплата разработчиков - допустим 3k$*1,5(налоги)*12*200 = 10.8 млн$
Тестовые запуски в MPW - 2*1.5 млн$
Изготовление масок для серийного производства 2*5млн$ = 10 млн$ (2 - потому что как ни старайся - с первого раза не выйдет)
Итого - 28.8 млн$
Это было то, что называется Non-recurring engineering (NRE) - единоразовые затраты, которые не зависят от объема производства, и успеха всего мероприятия.
Если процессор у нас получился площадью 200мм2, пластины по технологии 32нм диаметром 300мм стоят 5000$, то с пластины у нас получится 70690/200 = 350 кристаллов (оценка сверху), из которых работать допустим будет 300. Т.е. себестоимость кристалла - 16.6$, 20$ после корпусировки. За сколько теперь такой процессор можно будет продавать? 50$? 100$? Отнимем налоги и наценку магазинов…
И вот теперь вопрос - сколько же нужно продать таких процессоров, чтобы окупить наши NRE, проценты по кредитам, налоги и проч? Миллион? 5 миллионов? А главный вопрос - есть ли какие-то гарантии, что эти 5 миллионов процессоров удастся продать, учитывая что конкурентам ничего не стоит произвести на 5 миллионов больше их уже готового продукта?
Вот такой вот адский бизнес получается - огромные капитальные расходы, огромные риски и умеренная прибыль в лучшем случае.
Китай - решил проблему по своему, они решили во все школы поставить компьютеры со своими процессорами и Linux - и проблема с объёмами производства решена ( ).
Таким образом, главный вопрос при создании микросхем - это не как и где произвести, а как разработать и кому потом продать миллионы штук получившейся продукции?
А сколько стоит завод построить?
Стоимость современного завода подбирается к отметке 5 млрд$ и выше . Такая сумма получается потому, что стоимость лицензий и некоторых других фиксированных расходов не сильно зависит от объёмов производства - и выгодно иметь большие производства, чтобы затраты «размазывались» по бОльшему объёму продукции. А каждый современный сканер (который собственно рисует эти 22–32нм детали) стоит 60–100млн $ (на большом заводе их может быть пара десятков). В принципе, 5млрд - не такие большие деньги в масштабах страны. Но естественно, никто не потратит 5 млрд без чёткого плана по возврату инвестиций. А ситуация там такая - несмотря на всю сложность индустрии, только монополисты работают с видимой прибылью (TSMC, Intel, Samsung и немногие другие), остальные еле сводят концы с концами.Это просто не укладывалось у меня в голове - как же так, вкладывать миллиарды, и едва–едва их отбивать? Оказалось, все просто - по всему миру микроэлектроника жесточайше дотируемая отрасль - заводы постоянно выклянчивают освобождение от налогов, льготные кредиты и демпингуют (в Китае пошли ещё дальше - SMIC 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).
Это похоже поняли и в России - и проекты больших микроэлектронных заводов пока отложили, и строят маленькие производства - чтобы если и терять деньги, то терять их мало. А даже 3000 пластин в месяц, производимых на Микроне - это с головой покрывает объёмы потребления билетов Метрополитена и оборонки (кристалл билета метро имеет размеры 0.6x0.6мм, на одной 200мм пластине получается 87"000 билетов в метро - но о грустной истории с билетами метро я расскажу в одной из следующих статей).
Вопреки расхожему мнению, особых ограничений на продажу оборудования для микроэлектроники в Россию нет - на поправку Джексона - Вэника в США ежегодно накладывается президентский мораторий, и нужно только получать обычное разрешение на экспорт. Сами производители оборудования кровно заинтересованы заработать побольше денег, и сами пинают со своей стороны выдачу разрешений. Но естественно, без денег никто ничего не делает. Так что за ваши деньги - любой каприз.
Но нужно помнить и о том, что свой завод не гарантирует полной независимости производства, и не дешевле производства за рубежом: основную стоимость составляют технологии/лицензии и стоимость закупаемого оборудования - а если своих технологий и оборудования нет, и все импортировать - то и дешевле получится не может. Многие расходные материалы также в любом случае придется импортировать. Отдельный больной вопрос - производство масок, только очень крупные фабрики могут иметь «своё» производство масок.
А сколько нанометров нужно для счастья?
Многим кажется - вот, у Intel–а 22нм, а у нас 90нм - как мы безнадежно отстали, подайте трактор… Но есть и другая сторона медали: посмотрите например на ту же материнскую плату: там сотни полупроводниковых приборов - MOSFET–ы, драйверы, микросхемы питания, всякая вспомогательная мелочь - почти для всех из них хватает и 1000нм технологии. Вся промышленная электроника, и микросхемы для космоса и военных - это практически в 100% случаев технологии 180нм и толще. Таким образом, самые последние технологии нужны лишь для центральных процессоров (которые делать очень сложно/дорого из–за высоких рисков и высокого порога выхода на рынок), и различных «жопогреек» (айфонов и проч). Если вдруг случится война, и Россия лишится импорта - без «жопогреек» прожить можно будет, а вот без промышленной, космической и военной электроники - нет. Т.е. по факту мы видим, что критичные для страны вещи по возможности делают в России (или закупают впрок), а то, без чего можно будет прожить в крайнем случае - импортируем.Есть и другие факторы - та же стоимость масок. Если нам нужно сделать простую микросхему, то делать для её изготовления по 32нм маски стоимостью 5 млн $ - может быть выгодно если эту микросхему потом производить тиражом в десятки и сотни миллионов копий. А если нам нужно всего 100"000 микросхем - выгоднее экономить на масках, и выпускать микросхему по самой «толстой» технологии. Кроме этого, на микросхеме есть контактные площадки, к которым подсоединяются выводы микросхем - их уменьшать некуда, и следовательно, если площадь микросхемы сравнима с площадью контактных площадок - то делать микросхему по более тонкой технологии также нет смысла (если конечно «толстые нормы» удовлетворяют требованиям по скорости и энергопотреблению).
В результате - подавляющее большинство микросхем в мире делается по «толстым» технологиям (350–500нм и толще), и миллиарды микросхем уходящие на экспорт с Российских заводов (правда в основном в виде пластин) - вполне себе востребованы и продаются (так что в материнских платах и сотовых телефонах есть наши микросхемы и силовые транзисторы - но под зарубежными именами).
Ну и наконец, американский F–22 Raptor до недавнего времени летал на процессоре Intel 960mx, разработанном в 1984–м году, производство в США тогда было по нормам 1000–1500nm - никто особо не жужжал о том, что американцы ставят в самолеты отсталую электронику (хотя ладно, немного жужжали). Главное ведь не нанометры, а соответствие конечного продукта техзаданию.
Резюме
Рыночная экономика эльфов и микроэлектронное производство - слабо совместимые вещи. Чем больше копаешься - тем меньше видно рынка, больше дотаций, картельных сговоров, патентных ограничений и прочих радостей «свободного рынка». Бизнес в этой отрасли - это одна большая головная боль, с огромными рисками, постоянными кризисами перепроизводства и прибылью только у монополистов.Не удивительно, что в России стараются иметь маленькое, но своё производство, чтобы сохраняя независимость, терять меньше денег. Ни о какой прибыли на рыночных условиях говорить не приходится.
Ну и не для всех микросхем нужно 22-32нм производство, подавляющее большинство микросхем выгоднее производить на более старом 180-500нм оборудовании из-за стоимости масок и объемов производства.
В следующих статьях - расскажу об особенностях космической и военной микроэлектроники, и о текущем состоянии микроэлектроники в России.
), 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.
Начнем с неудач и драмы
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.
Логистика
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.
Чего еще не хватает
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.
О «серийном» проекте
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).Дальнейшие планы
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:-)
Теги:
- asic
- микросхема
- кремний
- разработка
- фотолитография
