eng
Выпуск #5/2017
Д.Гудилин
minimal Fab – взгляд в будущее полупроводниковой промышленности
minimal Fab – взгляд в будущее полупроводниковой промышленности
Просмотры: 3520
В Национальном исследовательском университете "МИЭТ" состоялся семинар, посвященный новой японской технологии minimal Fab.
DOI: 10.22184/1993-8578.2017.76.5.14.18
DOI: 10.22184/1993-8578.2017.76.5.14.18
Minimal Fab – концепция создания полупроводникового производства, в основу которой легли идеи о значительном сокращении затрат на оборудование, материалы и процессы. Для развития minimal Fab при поддержке правительства Японии создан консорциум, в который вошли ведущие технологические компании страны, в том числе 31 крупная корпорация и более 140 средних и малых предприятий.
ПРЕДПОСЫЛКИ
Последние десятилетия одной из тенденций развития полупроводниковой промышленности было увеличение размера пластин. В настоящее время стандартом для крупных предприятий являются пластины диаметром 300 мм, однако дальнейшее увеличение размера подложек столкнулось с рядом проблем. Среди них – резкий рост капиталовложений, снижение эффективности и рост рисков при разработке новых устройств. Исследования, проведенные группой д-ра Ш.Хары, показали, что в современных "мегафабах", являющихся символом прогресса в микроэлектронике, загрузка оборудования составляет 10–50%, а доля полезных затрат не превышает 10%. При этом, до 90% затрат на проектирование ИС уходит на исправление ошибок. Таким образом, технологическое развитие отрасли достигло той стадии, когда назрела необходимость перехода к принципиально новым решениям. И одним из них может стать minimal Fab.
ПРИНЦИПЫ И ПРЕИМУЩЕСТВА
Для повышения эффективности разработки и производства полупроводниковых приборов необходимо добиться существенного снижения стоимости оборудования и инфраструктуры, а также эксплуатационных затрат при одновременном повышении гибкости технологических систем. В качестве решения создатели minimal Fab предложили уменьшить размер обрабатываемых пластин на два порядка – до 0,5 дюйма (12,5 мм). Благодаря этому уменьшаются габариты и стоимость технологического оборудования, облегчается его обслуживание, сокращаются производственные отходы. Если стоимость комплекса традиционного оборудования для пластин 300 мм, по оценкам д-ра Ш.Хары, составляет около 5–10 млрд долл. США, то стоимость комплекта minimal Fab с той же функциональностью не превысит 5–10 млн долл. США, то есть будет в 1 000 раз меньше.
Второй важной идеей, составившей основу minimal Fab, стала локализация чистой среды внутри оборудования. Для этого пластина помещается в герметичный контейнер, в котором транспортируется между технологическими операциями, а само оборудование может эксплуатироваться вне чистых помещений, что резко уменьшает затраты на производственную инфраструктуру.
minimal Fab опровергает сложившийся стереотип, согласно которому снижение расходов возможно только при крупномасштабном производстве. Если в прошлом минимальный размер партии приборов, которую было целесообразно запускать в производство, составлял около 10 тыс. шт., то в современных "мегафабах", по словам д-ра Ш.Хары, он достиг 100 тыс. шт. В результате, вывод на рынок новых разработок невероятно усложнился из-за высоких затрат и рисков. При использовании minimal Fab экономически целесообразны партии от 100 изделий, а затраты на НИОКР и коммерциализацию новых продуктов и технологий резко снижаются.
Важными преимуществами minimal Fab являются высокий коэффициент использования оборудования и сокращение времени изготовления приборов. В традиционном производстве приходится постоянно ждать, пока оборудование освободится. В результате, в день каждая партия изделий проходит в среднем лишь два технологических этапа. В minimal Fab может реализовываться около 30 процессов в день. В неделю minimal Fab позволяет обрабатывать около 10 тыс. пластин.
ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
Консорциум по развитию minimal Fab разрабатывает весь комплекс необходимых технических решений, включая оборудование, технологии и материалы.
Система minimal Fab строится из компактных технологических модулей, выполненных в едином дизайне с одинаковым форм-фактором (высота – 1 440 мм, ширина – 294 мм, глубина – 450 мм). Каждый модуль снабжен системой загрузки / выгрузки PLAD (Particle Lock Air-tight Docking system). Очистка загруженной пластины ламинарным потоком воздуха позволяет достигать внутри модуля класса чистоты ISO 4. Время загрузки / выгрузки пластин – около 30 с. Вне машины пластина находится в компактном герметичном и непроницаемом для УФ-излучения контейнере minimal Shuttle. Между технологическими модулями контейнер может переноситься вручную или с помощью роботизированной системы.
Помимо электропитания, установкам требуется только подача воздуха и азота, а также вытяжка. Химические реактивы помещаются в модули в контейнерах. Расход реактивов очень мал, например, для смывки требуется всего 0,5 см3 жидкости.
Пластины диаметром 12,5 мм вырезаются лазером из подложек стандартного размера. На пластине имеется не покрываемая фоторезистом кромка шириной 0,28 мм и краевой участок шириной 0,50 мм, на котором толщина резиста неравномерна. Остальная площадь пластины может использоваться для формирования структур.
По словам д-ра Ш.Хары, minimal Fab позволяет обрабатывать около 10 тыс. пластин в неделю.
Модули minimal Fab могут использоваться и в комбинации с традиционным оборудованием. При гибридном производстве контейнер minimal Shuttle переносится в чистое помещение, там пластина помещается в специальный держатель, который позволяет обрабатывать ее в обычных установках.
ПЕРСПЕКТИВЫ
Пока для minimal Fab доступны не все необходимые технологические модули, в частности, для литографии разработан только модуль на базе системы DLP, которая пригодна для топологических норм выше 500 нм. Однако вскоре ее планируется усовершенствовать, достигнув разрешения 350 нм. В дополнение, на базе уже имеющегося модуля сканирующей электронной микроскопии разрабатывается система электронно-лучевой литографии с разрешением 100 нм, которое в дальнейшем будет улучшаться.
Возможности minimal Fab постоянно расширяются. В 2012 году с применением minimal Fab в составе гибридного комплекса был изготовлен кантелевер, в 2013 году на minimal Fab были получены PMOS-структуры, в 2015 году – CMOS-структуры и кольцевой осциллятор, в 2016 году – прибор в корпусе BGA. В 2016 году производство электронных компонентов демонстрировалось в реальном времени на выставке SEMICON Japan.
Д-р Ш.Хара отметил, что если в 20 веке тенденциями в микроэлектронике были увеличение масштабов производства, рост разрыва между НИОКР и промышленным внедрением, то теперь тенденцией становится кастомизация продуктов и снижение разрыва между НИОКР и производством. Эти процессы связаны с развитием локального потребления, и minimal Fab является оптимальным решением новых задач. Разрабочики minimal Fab прогнозируют, что в будущем рынок будет поделен примерно поровну между системами для пластин размером около 0,5 дюйма и для 12-дюймовых пластин.
Начало коммерческого использования minimal Fab – вопрос ближайшего времени, причем не исключено, что первый масштабный проект будет реализован в России (см. новость на с. 24). ■
ПРЕДПОСЫЛКИ
Последние десятилетия одной из тенденций развития полупроводниковой промышленности было увеличение размера пластин. В настоящее время стандартом для крупных предприятий являются пластины диаметром 300 мм, однако дальнейшее увеличение размера подложек столкнулось с рядом проблем. Среди них – резкий рост капиталовложений, снижение эффективности и рост рисков при разработке новых устройств. Исследования, проведенные группой д-ра Ш.Хары, показали, что в современных "мегафабах", являющихся символом прогресса в микроэлектронике, загрузка оборудования составляет 10–50%, а доля полезных затрат не превышает 10%. При этом, до 90% затрат на проектирование ИС уходит на исправление ошибок. Таким образом, технологическое развитие отрасли достигло той стадии, когда назрела необходимость перехода к принципиально новым решениям. И одним из них может стать minimal Fab.
ПРИНЦИПЫ И ПРЕИМУЩЕСТВА
Для повышения эффективности разработки и производства полупроводниковых приборов необходимо добиться существенного снижения стоимости оборудования и инфраструктуры, а также эксплуатационных затрат при одновременном повышении гибкости технологических систем. В качестве решения создатели minimal Fab предложили уменьшить размер обрабатываемых пластин на два порядка – до 0,5 дюйма (12,5 мм). Благодаря этому уменьшаются габариты и стоимость технологического оборудования, облегчается его обслуживание, сокращаются производственные отходы. Если стоимость комплекса традиционного оборудования для пластин 300 мм, по оценкам д-ра Ш.Хары, составляет около 5–10 млрд долл. США, то стоимость комплекта minimal Fab с той же функциональностью не превысит 5–10 млн долл. США, то есть будет в 1 000 раз меньше.
Второй важной идеей, составившей основу minimal Fab, стала локализация чистой среды внутри оборудования. Для этого пластина помещается в герметичный контейнер, в котором транспортируется между технологическими операциями, а само оборудование может эксплуатироваться вне чистых помещений, что резко уменьшает затраты на производственную инфраструктуру.
minimal Fab опровергает сложившийся стереотип, согласно которому снижение расходов возможно только при крупномасштабном производстве. Если в прошлом минимальный размер партии приборов, которую было целесообразно запускать в производство, составлял около 10 тыс. шт., то в современных "мегафабах", по словам д-ра Ш.Хары, он достиг 100 тыс. шт. В результате, вывод на рынок новых разработок невероятно усложнился из-за высоких затрат и рисков. При использовании minimal Fab экономически целесообразны партии от 100 изделий, а затраты на НИОКР и коммерциализацию новых продуктов и технологий резко снижаются.
Важными преимуществами minimal Fab являются высокий коэффициент использования оборудования и сокращение времени изготовления приборов. В традиционном производстве приходится постоянно ждать, пока оборудование освободится. В результате, в день каждая партия изделий проходит в среднем лишь два технологических этапа. В minimal Fab может реализовываться около 30 процессов в день. В неделю minimal Fab позволяет обрабатывать около 10 тыс. пластин.
ТЕХНИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
Консорциум по развитию minimal Fab разрабатывает весь комплекс необходимых технических решений, включая оборудование, технологии и материалы.
Система minimal Fab строится из компактных технологических модулей, выполненных в едином дизайне с одинаковым форм-фактором (высота – 1 440 мм, ширина – 294 мм, глубина – 450 мм). Каждый модуль снабжен системой загрузки / выгрузки PLAD (Particle Lock Air-tight Docking system). Очистка загруженной пластины ламинарным потоком воздуха позволяет достигать внутри модуля класса чистоты ISO 4. Время загрузки / выгрузки пластин – около 30 с. Вне машины пластина находится в компактном герметичном и непроницаемом для УФ-излучения контейнере minimal Shuttle. Между технологическими модулями контейнер может переноситься вручную или с помощью роботизированной системы.
Помимо электропитания, установкам требуется только подача воздуха и азота, а также вытяжка. Химические реактивы помещаются в модули в контейнерах. Расход реактивов очень мал, например, для смывки требуется всего 0,5 см3 жидкости.
Пластины диаметром 12,5 мм вырезаются лазером из подложек стандартного размера. На пластине имеется не покрываемая фоторезистом кромка шириной 0,28 мм и краевой участок шириной 0,50 мм, на котором толщина резиста неравномерна. Остальная площадь пластины может использоваться для формирования структур.
По словам д-ра Ш.Хары, minimal Fab позволяет обрабатывать около 10 тыс. пластин в неделю.
Модули minimal Fab могут использоваться и в комбинации с традиционным оборудованием. При гибридном производстве контейнер minimal Shuttle переносится в чистое помещение, там пластина помещается в специальный держатель, который позволяет обрабатывать ее в обычных установках.
ПЕРСПЕКТИВЫ
Пока для minimal Fab доступны не все необходимые технологические модули, в частности, для литографии разработан только модуль на базе системы DLP, которая пригодна для топологических норм выше 500 нм. Однако вскоре ее планируется усовершенствовать, достигнув разрешения 350 нм. В дополнение, на базе уже имеющегося модуля сканирующей электронной микроскопии разрабатывается система электронно-лучевой литографии с разрешением 100 нм, которое в дальнейшем будет улучшаться.
Возможности minimal Fab постоянно расширяются. В 2012 году с применением minimal Fab в составе гибридного комплекса был изготовлен кантелевер, в 2013 году на minimal Fab были получены PMOS-структуры, в 2015 году – CMOS-структуры и кольцевой осциллятор, в 2016 году – прибор в корпусе BGA. В 2016 году производство электронных компонентов демонстрировалось в реальном времени на выставке SEMICON Japan.
Д-р Ш.Хара отметил, что если в 20 веке тенденциями в микроэлектронике были увеличение масштабов производства, рост разрыва между НИОКР и промышленным внедрением, то теперь тенденцией становится кастомизация продуктов и снижение разрыва между НИОКР и производством. Эти процессы связаны с развитием локального потребления, и minimal Fab является оптимальным решением новых задач. Разрабочики minimal Fab прогнозируют, что в будущем рынок будет поделен примерно поровну между системами для пластин размером около 0,5 дюйма и для 12-дюймовых пластин.
Начало коммерческого использования minimal Fab – вопрос ближайшего времени, причем не исключено, что первый масштабный проект будет реализован в России (см. новость на с. 24). ■
Отзывы читателей
