Введение

Текущая обстановка сделала предельно актуальными вопросы технологической независимости РФ, и более конкретно – обеспечение полупроводниковой и микроэлектронной ЭКБ, а также их развитие, техническую и экономическую конкурентоспособность.

Ставшие очевидными существенное отставание в части специального технологического оборудования, материалов и САПРов, острая нехватка ресурсов и компетенций их разработки и производства при технической сложности и масштабности стоящих задач ограничивают поле маневра, заставляют максимально ответственно и расчетливо отнестись к выбору и реализации стратегии развития. Нет запасов времени и ресурсов для неэффективных и малоперспективных мероприятий и проектов.

Одним из стратегических вопросов является вопрос выбора размеров пластин, под которые разрабатывать оборудование, технологии и разворачивать производства материалов и ЭКБ. Следование форматам, сложившимся в условиях глобального рынка и ресурсов, не может априори считаться верным выбором. Сильное решение должно учитывать как накопленный мировой опыт, так и прогнозы развития геополитической и геоэкономической ситуации, опираться на сильные стороны и нивелировать текущие слабости РФ. 

Некоторые мифы и их прояснения

Перед дальнейшим обсуждением имеет смысл прояснить ряд мифов.

Миф 1: «Чтобы достичь проектных норм 65-28-16-7-3 нм, надо обязательно использовать пластины большого диаметра».

Это не так!

Исторически, увеличение размеров пластин и уменьшение проектных норм были параллельными процессами. Поэтому, начиная с некоторых проектных норм, использовались пластины большего диаметра, а для предыдущих, меньших диаметров, оборудование под эти проектные нормы уже не делалось. Только поэтому есть поверхностная связь проектных норм и диаметров пластин.

 Физических и технических ограничений на уменьшение проектных норм на пластинах небольшого диаметра нет. Более того, по некоторым аспектам достигать небольших проектных норм на маленьких пластинах проще, чем на больших.

Например, в литографии, при экспонировании, для каждой проектной нормы необходимо обеспечить соответствующую точность перемещения. Это определяет достижимую проектную норму больше, чем, например, длина волны фотолитографа. Для меньших размеров пластин меньше зона перемещения, и точность обеспечить проще.

Также, для уменьшения проектных норм важна привнесенная дефектность, проще говоря – количество частиц больше примерно ½ проектной нормы. Одним из ключевых процессов здесь является жидкостная отмывка пластин. Чем больше диаметр пластины, тем больше дистанция, на которую необходимо переместить частицы из центра пластины (собственно, надо смыть их за край пластины, то есть на половину диаметра), и тем это сложнее и дольше. Именно поэтому с ростом диаметров пластин (и проектных норм) рос прежде всего расход сверхчистой воды, которая на 300 мм фабах стала доминирующим по стоимости расходным материалом.

 Это – только часть из множества подобных факторов.

Поэтому единственной причиной, по которой небольшие проектные нормы реализованы на больших пластинах – это исторически сложившееся отсутствие соответствующего оборудования для небольших пластин (а также пластин соответствующего качества).

 

Миф 2: «Чем больше пластина (заготовка), тем меньше стоимость единицы ее площади, что делает конечный продукт дешевле».

Это не так!

Если посмотреть цены на пластины на сайтах розничных поставщиков, то вроде как они это подтверждают. Но эти цены обусловлены их бизнес-моделью и объемами существующих рынков для разных размеров пластин, а не их себестоимостью в эквивалентных объемах выпуска.

Реально, чем больше размер пластины, тем дороже себестоимость 1 кв. см. ее площади.

Для микроэлектроники требуются пластины с максимально совершенной кристаллической структурой и качеством поверхности. Их изготовление – сложный, долгий процесс с высокими энергозатратами и большим отходом материалов (хорошо описан в статье von Ammon, W. (2014), FZ and CZ crystal growth: Cost driving factors and new perspectives. Phys. Status Solidi A, 211: 2461-2470. https://doi.org/10.1002/pssa.201400043).

Одним из ключевых шагов является выращивание монокристаллического слитка. Чем больше диаметр слитка, тем дольше надо разогревать исходный материал (так как его больше), медленнее вести рост (чтобы было меньше дефектов кристаллической структуры), и медленнее его остужать (из-за большой массы, и чтобы было меньше дефектов). Как результат, требуется больше дорогого оборудования и больше расход энергии, что ведет к увеличению себестоимости 1 кг слитка.

Далее, для изготовления пластин вырезается средняя часть слитка, с наименьшей дефектностью. Чем больше диаметр слитка, тем труднее обеспечить его бездефектность, и реально он получается более дефектным. Поэтому на изготовление пластин идет меньшая часть слитка (см. рис. 1 из приведенной выше статьи), что еще увеличивает стоимость «полезного» материала. По сравнению со 100 мм, для 300 мм пластин используется в 2.5 раз меньший процент материала слитка.

Рисунок 1. Полезный выход при резке кристалла на пластины в зависимости от диаметра

Далее, годную часть материала надо распилить на пластины, и потом отшлифовать и отполировать для удаления поврежденного при распиловке поверхностного слоя и обеспечения высокого качества поверхности.

Распиловка ведется натянутыми струнами. Чем больше диаметр пластины (слитка), тем длиннее струна и больше нагрузка на нее. Соответственно, струна нужна толще, и она больше «гуляет» при распиловке.

Чем больше «гуляет» струна, тем толще рез и больше толщина поврежденного поверхностного слоя.

Чем толще рез, тем больше материала идет «в опилки» и больше тратится энергии. А большая толщина поврежденного слоя означает что надо больше и дольше шлифовать.

В результате, чем больше диаметр пластины, тем больше материала (в расчете на единицу площади) идет в отход при ее изготовлении в ходе распиловки и шлифовки-полировки.

Дальше – больше. Для обеспечения жесткости (чтобы не было больших деформаций и отклонений от плоскостности при последующих процессах кристального производства) большие по диаметру пластины должны быть толще. В соответствии со стандартами SEMI, толщина пластин 100 мм составляет 525 мкм; 150 мм – 625 мкм; 200 мм – 725 мкм; 300 мм – 775 мкм, то есть в 1,5 раза больше, чем 100 мм.

Подведем итог. Чем больше диаметр, тем:

• дороже 1 кг выращенного кристалла;

• меньший процент материала выращенного кристалла можно использовать для изготовления пластин;

• больший процент материала уходит «в опилки» при распиловке и шлифовке;

• толще должна быть пластина, и надо больше материала на единицу площади.

Как результат, стоимость 1 кв. см. пластины растет примерно пропорционально ее диаметру (The macroeconomics of 450mm wafers, SEMICON West 2014). А не уменьшается, как видится из «общих соображений».

Это для кремния, для других материалов (GaAs, SiC, прочих составных) с ростом диаметра будет хуже, так как сложности с обеспечением совершенства кристаллической структуры и последующей механической обработки больше.

Миф 3: «Кристальное производство на пластинах большего диаметра автоматически более экономически эффективно».

Это не так!

Да, стоимость оборудования, в первом приближении, растет даже медленнее, чем диаметр пластины. Общепринятой оценкой является рост в 1,2-1,5 раза при увеличении площади пластины в 2 раза – явный выигрыш. Также, в расчете на единицу площади, должен уменьшаться расход дорогостоящих материалов (так как ширина краевой зоны реакторов не меняется) и расходы на персонал. Это – стандартная аргументация при доказательствах целесообразности перехода на больший размер пластин.

В реальности практика показывает другое. Переход на больший размер пластин влечет увеличение сложности технических решений, и обеспечение «cost parity» (равной себестоимости продукта) при каждом переходе выше 150 мм было большим вызовом и происходило не сразу. Для перехода 300 => 450 оно так и не произошло.

Снижение себестоимости происходило не столько из-за увеличения размеров пластин, сколько благодаря переосмыслению парадигм организации производств и внедрению более совершенных технических решений.

Так, в индустрии наблюдался сильный (почти в 10 раз) рост себестоимости 1 кв.см. обработанной пластины («processed wafer») на рубеже проектных норм ~ 1 мкм (см. рис. 2). Это связано с тем, что на этой границе стали критичными частицы размером 0,5 мкм, которые превалируют в воздухе. Этот рост наблюдался на этапе использования пластин диаметром 150 мм.

Проблема была решена уже на пластинах диаметром 200 мм – за счет применения сначала автоматизации загрузки-выгрузки, то есть кардинального уменьшения интенсивности физического контакта человека (оператора) с пластиной, и затем SMIF контейнеров.

Этот эффект был продолжен при дальнейшем переходе на пластины 300 мм, когда были разработаны FOUP контейнеры – существенно более совершенное решение по сравнению с 200 мм SMIF в части обеспечения низкой дефектности. И конечно, сказалось развитие по другим решениям в части обеспечения низкой привнесенной дефектности – материалы, системы фильтрации, манипуляторы, ионизаторы воздуха. Все это работало на увеличение выхода годных при снижении стоимости оборудования и инфраструктуры, независимо от размера пластин.

Рисунок 2.  Развитие производства МЭ по годам

Менее очевидным, но при этом существенным фактором уменьшения себестоимости стал переход от групповой обработки пластин к преимущественно индивидуальной. Это кардинально изменило структуру себестоимости за счет уменьшения использования (практически, ликвидации) контрольных пластин (см., например, рис. 3, контрольные пластины идут под именем «monitors») и связанных с их наличием расходов.

Рисунок 3. Структура себестоимости химической обработки пластин 150 и 200 мм

Также существенным фактором было совершенствование оборудования в части сокращения длительности цикла. Если для 150 и «раннего» 200 мм оборудования «стандартом» считался цикл 60 секунд, то для «позднего» 200 мм оборудования он стал 30-40 секунд, а наиболее дорогое оборудование 300 мм сейчас работает с тактом 20 секунд.

Почему рос размер пластин (и почему перестал)?

Если увеличение размера пластин создавало столько сложностей и не давало прямых технико-экономических преимуществ (см. предыдущий раздел), то почему оно неуклонно шло?

До 150 мм, при проектных нормах того времени, увеличение размера пластин не влекло существенных технических сложностей. Поэтому логика уменьшения себестоимости при увеличении производственной мощности оборудования хорошо работала.

Это было время бурного развития, входа на рынок новых игроков – как стартапов, так и устоявшихся промышленных гигантов. Развитие шло силами самих компаний.

При переходе к 200 мм и субмикронным проектным нормам существенно возросла стоимость инфраструктуры, а также сложность и стоимость инноваций. Переход потребовал координации усилий основных игроков, ресурсов отдельных компаний уже не хватало. Критическим фактором конкурентоспособности стали масштабы производств и компаний. Более мощные производства и крупные компании получали существенное преимущество от использования централизованной инфраструктуры и масштабной отдачи от R&D.

В этот период началось сокращение количества игроков-производителей микроэлектроники. В частности, на переходе 150 => 200 «закончилась» микроэлектроника Японии.

Этот тренд продолжился с переходом на 300 мм. Результатом стал формат «гигафабов» - мощных кластеров из нескольких фабов на 20-30 тыс. запусков пластин в месяц. Количество игроков продолжило быстро сокращаться, и сейчас на современных проектных нормах работает только три компании. Количество компаний-производителей оборудования, способных выпускать и поддерживать СТО такой сложности, также существенно сократилось. Переход потребовал объединенных усилий всей отрасли и господдержки.

Одна из ключевых мотиваций такого развития указана в статье «How TSMC killed 450mm wafers for fear of Intel, Samsung» (2022), со слов Chiang Shang-Yi, бывшего cо-COO TSMC:

Переход на большую пластину, говорят это из-за производительности. Это не совсем так. Это больше игра. Игра, в которой большие парни получают преимущество над маленькими…. Это – причина номер один для перехода на пластины больших размеров.

 (Going to a bigger wafer, people say it's because of productivity. It's not exactly true. More it's a game. It's a game for the big guy to take advantage on the small guy… That's the number one reason for going to the large wafer)

У небольших компаний нет достаточно ресурсов для перехода на большие размеры пластин (это касается как производителей МЭ, так и производителей СТО), и при таком переходе они выбывают из игры. То есть для больших компаний это – способ устранения конкурентов.

TSMC было активным участником перехода на 450 мм. Но в некоторый момент (2013) она осознала, что из трех оставшихся на тот момент игроков (TSMC, Intel, Samsung) она – самая маленькая, и не сможет инвестировать столько же, сколько конкуренты. Это стало основанием для отказа TSMC в дальнейшем участии в работах по 450 мм. Как понятно из последующего развития событий, это было мудрое решение.

Резюмируем:

• при относительно небольшом уровне сложности на начальном этапе, рост размеров пластин был естественным процессом обеспечения экономической эффективности оборудования;

• сложившиеся подходы к организации производств на базе централизованной инфраструктуры мотивировали рост размера пластин для создания крупных производств;

•  дальнейший рост до 300 мм был инспирирован крупными игроками и сработал на них, сделав невозможным участие в технологической гонке для небольших компаний и оставив их «за бортом»;

• переход на 450 мм не состоялся, так как один из трех оставшихся игроков (TSMC) счел его невыгодным для себя, и остался на 300 мм. Это сильно уменьшило ресурсную базу перехода на 450 мм, и значительно повысило риски такого перехода для остальных игроков.

Разумеется, такой рост стал возможен благодаря значительному объему рынка, обеспечивающему загрузку для достаточного количества мощных производств. Что не имеет места в Российских реалиях. Поэтому:

 

Сценарий	«Пессимизм с надежной на лучшее»	«Как сумеем»	«Концентрация»
Философия	Мы безнадежно отстали в МЭ, и не сможем «поднять» технологию на приемлемый уровень в полном объеме самостоятельно. Да, надо вкладывать ресурсы, оказывать поддержку развитию, чтобы хоть что-то начало появляться, и мы были участниками мировой МЭ отрасли, а не только потребителями. Но в целом рассчитываем, что текущая ситуация «откатится» и у нас восстановится в той или иной форме доступ к производственным возможностям современной МЭ и оборудованию.	У нас есть достаточно компетенций и ресурсов на то, чтобы пусть не на самом современном, но на приемлемом уровне создавать свои производства МЭ. Мы сможем повторить, создать свои версии того оборудования и материалов, которые для этого нужны – по зарубежным образцам. Это проще, чем разрабатывать, мы должны с этим справиться. Да, это будет не передовой уровень, на него мы в обозримом будущем (никогда) не выйдем, но для обеспечения минимальных потребностей и технологической независимости должно хватить.	Наши ресурсы ограничены, но у нас есть научно-технический потенциал для создания и развития своей МЭ. На каждом витке развития меняется ситуация, появляются свои возможности и шансы. Мы можем выстроить и реализовать свою стратегию, с учетом наших сильных и слабых сторон и с учетом текущих рыночных и технических трендов, которая позволит выйти на траекторию устойчивого развития и в перспективе обеспечит сильные конкурентные позиции.
Стратегия	Собираем заявки организаций на ОКР/НИР. Поддерживаем заявленные проекты в расчете, что организации смогут создать конкурентоспособные технологии и продукты. Отбор проектов на разработку технологий и оборудования – «соответствие мировому уровню», «отсутствие отечественных производителей», «под санкциями» Разрабатываем, как правило, оборудование-аналоги существующего зарубежного оборудования.	Собираем и анализируем потребности предприятий-производителей ЭКБ. Инициируем и поддерживаем разработку оборудования и материалов, необходимых для их деятельности и развития. Отбор проектов – «по подтверждению потребности от заказчиков». Производители ЭКБ сами выбирают какое оборудование им надо (включая размер пластин) и стратегию своего развития. Разрабатываем, как правило, оборудование-аналоги существующего зарубежного оборудования, с учетом «хотелок» предприятий-изготовителей ЭКБ в части размеров пластин, автоматизации и проч.	Формируем цельную (продукты, технологии, оборудование, материалы) концепцию и программу создания технологически независимой МЭ отрасли в РФ с учетом прогноза развития критических технологий, объема и структуры рынка. Принципы: экономия ресурсов разработки (не делать лишнего), реализация передовых технических решений, создание условий для быстрого развития и достижения результатов. Максимальная унификация оборудования для разных направлений ЭКБ, в идеале – единый формат.  Приоритет проектам создания/развития производств ЭКБ на базе поддерживаемого формата.