Существенным препятствием для построения производственной базы микроэлектроники в РФ является высокая стоимость инфраструктуры полупроводниковых производств и высокая стоимость оборудования и его разработки, сложившиеся в результате развития мировой индустрии.
Эти факторы являются существенными не только для РФ, но и для стран-лидеров микроэлектронной промышленности. Необходимость и ценность решения задачи построения мелкомасштабных производств указывалась в стратегических документах по обеспечению технологического лидерства США, Европы и Японии (см. например 1, 2).
Свидетельством этого являются проекты-попытки реализации концепции минифабов, рассматриваемые ниже.
Мини Фабом (mini-fab) общеупотребительно называют небольшое по масштабам и объемам выпуска производство микроэлектронных изделий, в противовес «мега-фабам» и «гига-фабам» - сложившимся под действием фактора экономии на масштабах форматам производств. Мотивацией является существенное, минимум в 10 раз, снижение необходимых объемов инвестиций с обеспечением сравнимых технологических возможностей, гибкости при выпуске небольших партий без существенного проигрыша (желательно – выигрыша) в себестоимости выпуска продукции.
Далее рассмотрены наиболее интересные проекты и концепции Мини Фабов. Кроме них было реализовано много других проектов, концептуально аналогичных рассмотренным.
Рисунок 1 - Проекты-концепции
Одной из попыток реализации минифабов является проект HALCA (Highly Agile Line Concept Advancement), проведенный в Японии в 2001-2005 годах.
Основными идеями были:
1. Использование оборудования, в базе совпадающего с используемым в массовых производствах (пластины 200 мм, SMIF контейнеры);
2. Использование минимального оптимизированного комплекта оборудования – за счет повышения его гибкости, возможности быстрой перестройки под разные параметры технологических процессов, использования одних и тех же единиц оборудования на разных этапах производственного маршрута.
Проект был успешно реализован. Проекты и планы по реализации производств на его основе рассматривались в разных странах (см. например 5). Удалось существенно, на 60%, снизить расход электроэнергии на выпуск единицы продукции. Стоимость построения производства оценивалась в 20-30 раз ниже, чем традиционного. Реализовывалась технология уровня 130 нм.
Тем не менее, в итоге не было построено ни одного производства такого типа. Одной из причин стало то, что многие подходы и решения проекта были перенесены в традиционные производства, что повысило их гибкость и экономическую эффективность, а эффект масштаба обеспечил большую конкурентоспособность и гибкость развития. При этом в минифабах ниже коэффициент доступного производственного времени оборудования и выход годных.
Необходимо отметить, что в РФ примерно в то же время в НИИСИ РАН был реализован аналогичный проект – на пластинах 150 мм под проектные нормы 350 нм.
Проект реализовывался в РФ в 2005-2015 годах. Основными идеями были:
1. Использование пластин небольшого размера (100 мм)
2. Снижение требований к инфраструктуре (отсутствие «чистых» комнат) за счет реализации оборудования в виде вакуумных «мегакластеров» (см. рис. 2)
Для обеспечения гибкости и достижения целевой проектной нормы (65-8 нм) предполагалась разработка многолучевого электронного литографа.
При всей красоте концепции (отмеченной, в том числе, наградами международных конференций), она имеет фундаментальные недостатки, которые не позволяют рассчитывать на конкурентоспособность производств на ее основе:
1. Высокие издержки на реализацию функции передачи пластин между станциями обработки
Передача происходит манипуляторами в вакууме, по одной пластине. Время передачи очень большое, а пропускная способность системы – очень низкая. Высокая «стоимость транзакций» выливается в низкую производительность и высокую себестоимость.
2. «Хрупкость» системы
Вакуумная транспортная система задает структурную жесткость и сильную взаимную зависимость отдельных технологических станций. Выход из строя или сбои одного транспортного модуля приводит к остановке всей системы. Развитие и перестройка системы сильно затруднены. Все это делает работу системы неустойчивой и плохо приспосабливаемой к изменяющимся условиям.
Рисунок 2 - nanofab100
Было произведено несколько инсталляций действующих систем. Проект был закрыт из-за недостижения технических показателей.
Проект был инициирован в США в 2006 году.
Основные идеи и параметры:
1. Пластины диаметром 2” (50 мм) – на тот момент соответствующий 1 кадру засветки степпера, для минимизации размеров и стоимости оборудования.
2. Минимизация требований к инфраструктуре за счет организации оборудования в виде стеллажа, в ячейках которого размещаются отдельные технологические станции. Передача пластин производится системой перемещения, размещенной в компактной «чистой» зоне перед стеллажом.
Рисунок 3 - Futrfab
Проект не был поддержан широким сообществом, и не доведен до полноценной реализации. Системные недостатки аналогичны концепции Nanofab-100: низкая пропускная способность «транспортной системы», жесткость и «хрупкость» системы в целом. Необходимость встраивать оборудование в «этажерку» существенно увеличивает трудности и ограничения при его проектировании.
Проект реализовывается в Японии в 2007-2018 годах, и на настоящий момент является, вероятно, самым успешным в части достижения поставленных целей.
Основные идеи:
1. Использование пластин ½" (12,5 мм) – для минимизации размеров и стоимости оборудования, расходов на выпуск единичного изделия
В начальной концепции предполагался подход «одна пластина – одно изделие» и исключение операции разделки пластин. Однако сейчас в полном комплекте оборудования эти операции реализованы.
2. Минимизация требований к инфраструктуре (отсутствие чистых комнат) за счет применения герметичных контейнеров.
В проекте показана возможность обеспечения «чистоты» класса ISO3 в условиях помещений класса ISO8.
3. Минимизация требований к инфраструктуре (отсутствие специализированных коммуникаций) и обеспечение гибкости производства за счет размещения источников материалов непосредственно в оборудовании
4. Кардинальное уменьшение стоимости оборудования за счет минимизации размеров, унификации систем загрузки-выгрузки, увеличения серийности
Предполагалось, что удастся реализовать все необходимое оборудование в едином форм-факторе, с тактом 1 минута на операцию. Производственные линии должны были выстраиваться в виде конвейера под требуемый производственный маршрут изделия, при переходе на другое изделие с другим маршрутом – перестраиваться. Это должно было обеспечить эффективную производственную логистику.
Рисунок 4 - Minimal FAB
Проект показал жизнеспособность основных идей концепции. Был реализован полный комплект оборудования (под нормы 0,8 мкм, с перспективой доведения до 100 нм). КМОП процесс «разворачивался» на неподготовленных площадях (выставки, конференции) за 2 дня, и функционировал в условиях большого потока людей.
Для развития и коммерциализации результатов проекта был организован консорциум производителей оборудования, в который вошли все и только (!) японские производители оборудования для микроэлектроники.
В 2018 году было произведено несколько коммерческих инсталляций в исследовательских центрах по всему миру.
Тем не менее, производств на базе этой концепции реализовано не было, несмотря на заявленную готовность к этому с 2019 года. Причиной видится неудача в реализации принципа «оборудование стандартного формфактора с циклом 1 минута», который был ключевым для формирования производственного «конвейера» - единственной возможности для достаточно эффективной реализации транспортной функции. Не все технологии могут быть уложены в эти параметры, что разрушает заложенную концепцию построения производств.
Сравнение проведено для трех концепций реализации производств:
1. Мега-фабрики – традиционные производства микроэлектроники
2. Минифабы на базе оборудования традиционных производств (типа HALCA)
3. Minimal Fab
Для сравнения были выбраны критерии, отражающие объем инвестиций, масштабы производств, стоимость и скорость развития.
Рисунок 5 - Сравнение концепций
Из сравнения видно, что при сокращении требуемых объемов инвестиций, «традиционные» минифабы практически не дают выигрыша по параметрам, определяющим скорость и стоимость развития. В действительности они даже проигрывают, так как «стоимость инноваций», являющаяся, по сути, стоимостью новой единицы оборудования, в относительном масштабе для них выше, чем для мега-фабов.
Концепция Minimal Fab имеет профиль практически зеркальный к традиционным производствам. Это значит, что ее характеристики существенно отличаются, и она может «отстраиваться» от конкуренции с традиционными производствами. Существенными видятся преимущества в части стоимости и скорости развития.
Проект «FAB 100/150» реализуется в РФ с 2020 года в рамках комплексного проекта по соглашению о субсидии № 020-11-2020-1894.
Концепция проекта сформирована с учетом результатов проекта Minimal Fab и SWOT анализа состояния микроэлектроники в РФ.
Основные положения концепции:
1. Применение пластин диаметром 100 мм
- размер достаточен для требуемых масштабов производств сейчас и в перспективе
- в этом размере доступны практически все «новые» материалы, что позволяет максимально унифицировать оборудование по областям применения = повысить серийность его выпуска = повысить качество и снизить стоимость
- обеспечивается относительная простота и низкая стоимость разработки и производства оборудования, материалов
- обеспечивается относительно низкая стоимость разработки новых изделий, исследований, учебных работ
2. Применение герметичных контейнеров с NFC метками («Гермикон»)
- снижение требований к инфраструктуре = снижение стоимости и увеличение скорости развития
- идентификация и отслеживание каждой пластины = предпосылки к реализации производств индустрии 4.0
- возможность обработки пластины в разных учреждениях и предприятиях = снижение барьеров взаимодействия предприятий и учреждений, эффективное использование развернутой производственной и исследовательской структур.
3. Стандартизированные модули загрузки-выгрузки
- снижение стоимости разработки и производства оборудования
- обеспечение и контроль уровня технической реализации оборудования
- снижение барьеров участия и вовлечение научных учреждений в разработку и развитие оборудования и технологий
- увеличение скорости и снижение стоимости развития
Согласно концепции оборудования «FAB 100/150», предполагается четыре сценария его использования:
0. В составе традиционных производств без применения герметичных контейнеров
Оборудование применяется без герметичного контейнера для работы с пластинами 100 и 150 мм. Может оснащаться кассетной загрузкой. Позволяет модернизировать существующие производства, обеспечить плавный переход на работу с герметичным контейнером.
1. В исследовательских и учебных учреждениях
Ручная установка герметичных контейнеров «Гермикон» на оборудование, перемещение единичных контейнеров между единицами оборудования операторами.
Позволяет оснащать исследовательские и учебные учреждения с минимальными затратами на развертывание и эксплуатацию.
2. В мелкосерийных и опытных производствах
Кассетная автоматизированная загрузка контейнеров «Гермикон» на оборудование. Перемещение контейнеров между единицами оборудования вручную в кассетах по 6-12 шт.
Позволяет реализовывать мелкосерийные производства.
3. В среднесерийных и массовых производствах
Перемещение контейнеров «Гермикон» гибкими конвейерными системами по индивидуально заданным маршрутам, с автоматизированной загрузкой на оборудование.
Позволяет реализовывать эффективные гибкие «безлюдные» производства с минимальными сроками и затратами на производство как единичных изделий, так и крупных партий.
Основной целью проекта является разработка базовых решений и организация выпуска базовых компонентов платформы – контейнера и модулей загрузки-выгрузки. В реализуемый проект входит разработка и организация производства продуктов:
1. Герметичный контейнер
2. Модуль загрузки-выгрузки однопозиционный атмосферный (АМЗВ)
3. Модуль загрузки-выгрузки однопозиционный вакуумный (ВМЗВ)
4. Модуль загрузки-выгрузки однопозиционный вакуумный многопозиционный (ВМЗВМП)
5. Установки контроля привнесенной дефектности (cерия Aura)
6. Установка травления фоторезиста в удаленной плазме (серия Vega)
7. Установка многослойной металлизации (серия Feba)
8. Установка CVD осаждения покрытий (серия Clio)
9. Установка PVD осаждения покрытий (серия Gera)
10. Установка плазмохимического травления (серия Keto)1. Industries of the Future Institutes: A New Model for American Science and Technology Leadership (A report to the President of the United States of America, The President’s Council of Advisors on Science and Technology, 2021)
INDUSTRIES OF THE FUTURE INSTITUTES: A NEW MODEL FOR AMERICAN SCIENCE AND TECHNOLOGY LEADERSHIP
2. Study on the Electronics Ecosystem: Overview, Developments and Europe's Position in the World (Decision, 2020, doi: 10.2759/941678)
3. Независимость российской электроники от импорта – необходима и возможна (ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 6/2016)
4. Mini versus mega (https://www.edn.com/mini-versus-mega/)
5. Minifabs would suit UK, says DTI (https://www.electronicsweekly.com/news/research-news/process-rd/minifabs-would-suit-uk-says-dti-2005-05/)
6. 0,35-мкм КМОП-процесс в России – в 2004 году (ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес 3/2004)
9. СТО нового формата для малых полупроводниковых производств как путь конкурентоспособного развития микроэлектроники в РФ (Наноиндустрия, S96-2, 2020)
Вернуться ко всем публикациям