Global Informatics
Транзистор - одно из важнейших изобретений ХХ столетия, повлекшее за собой появление полупроводниковых приборов и микросхем. Эти устройства стали основой электронных систем и привели к проникновению электроники во все важнейшие для жизнедеятельности человека отрасли - энергетику, транспорт, связь, здравоохранение. Развитие микроэлектроники невозможно без постоянного совершенствования научного понимания свойств полупроводниковых материалов и приборов, а также технологических процессов, необходимых для изготовления современных изделий. И даже неискушенный потребитель не может не оценить "изобретательность" полупроводниковой промышленности. Возникают ли задачи масштабирования приборов и микросхем вплоть до нанометровых размеров, или увеличения производительности технологических операций, или ввода бизнес-модели предприятия, позволяющей успешно компенсировать высокие затраты на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, полупроводниковая промышленность из года в год успешно находит их решение.
Электронная промышленность - стратегически важнейшая современная отрасль во всех странах мира. На ее долю приходится ~3,5% мирового ВВП. Развитие этой отрасли невозможно без совершенствования ее элементной базы, основа которой - современные полупроводниковые изделия. Производители полупроводниковых приборов постоянно увеличивают капитальные затраты на развитие полупроводниковой промышленности, совершенствование технологии и оборудования, требуемых для производства будущих поколений приборов. В качестве примера развития технологии и темпов обновления оборудования можно привести завод Building 323 фирмы IBM в Ист-Фишкилле, который был отмечен традиционной ежегодной премией журнала Semiconductor International как лучший завод 2005 года. Благодаря усовершенствованной АСУП производство микросхем на заводе не зависит от человеческого фактора. На заводе функционируют 12 междисциплинарных рабочих групп, каждая из которых отвечает за одну из ключевых платформ технология/оборудование. Каждая группа анализирует все составляющие потерь курируемой платформы и разрабатывает планы повышения производительности. В результате деятельности этих групп и эффективных методов управления технологическими процессами время цикла обработки сокращено более чем на 50% при увеличении производительности на 59%. Специалисты предприятия освоили, аттестовали и нарастили производство разнообразных изделий с проектными нормами 180, 130, 90 и 65 нм.
Упрощение сложности новых производственных процессов играет решающую роль в обеспечении жизнеспособности будущих технологий микроэлектроники. Но из-за резкого роста затрат на освоение новой технологии микросхем по мере их масштабирования решение все нарастающих проблем полупроводниковой промышленности в первую очередь требует объединения усилий и финансов различных производителей (в том числе и различных отраслей промышленности). Пример такого объединения - образованный компанией IBM альянс Common Platform (совместная платформа). В его состав вошли компании IBM, Chartered Semiconductor Manufacturing и Samsung Electronics, а также партнеры по альянсу совместных разработок - Infineon Technologies и Freescale Semiconductor. Недавно к альянсу присоединилась фирма STMicroelectronics. Цель компаний, входящих в платформу, - освоить к 2010 году 32-нм КМОП-технологию с использованием затворного диэлектрика с высокой диэлектрической постоянной (высоким k), металлического затвора, напряженного кремния и диэлектрика со сверхнизким k при формировании межсоединений. Кроме того, планируется освоить второе поколение установок иммерсионной литографии, создать высококачественные аналоговые блоки цифровых средств связи и отработать технологию ВЧ КМОП-схем и встроенных ДОЗУ.
Концерн BASF также присоединился к программе европейского Межуниверситетского Центра Микроэлектроники (Interuniversity Microectronics Center - IMEC), цель которой - разработка и выпуск на рынок к 2010 году моющих растворов и усовершенствованных металлических слоев для полупроводникового производства микросхем с 32-нм топологическими нормами.
В 2003 году в начале освоения промышленного производства микросхем с проектными нормами 90 нм существовало лишь несколько производственных линий по обработке пластин диаметром 300 мм. Но к концу 2005 года уже около 30 заводов работали с пластинами такого диаметра. Производительность их составляла 10 тыс.-30 тыс. пластин в месяц.
В последнее время активно обсуждается вопрос перехода к обработке пластин диаметром 450 мм. Согласно Международной программе развития технологии полупроводниковых приборов (International Technology Roadmap for Semiconductors - ITRS) 2005 года, обработка 450-мм пластин должна начаться в 2012-2014 годы. Чтобы обеспечить выполнение этого плана, на конференции Semicon West 2007 Международная производственная инициатива, предложенная консорциумом Sematech (International Sematech Manufacturing Initiaitve - ISMI), представила новую научно-исследовательскую программу перехода к производству микросхем на 450-мм пластинах - 450mm. Цель ее - гарантировать эксплуатационную готовность 450-мм кремниевых пластин; обеспечить разработку общих руководящих документов и стандартов 450-мм завода; подготовить опытный испытательный стенд для тестирования 450-мм оборудования, в том числе и таких элементов и устройств, как кристаллодержатели, загрузочные порты, модули и др. Новая программа 450mm не отменяет ранее принятый ISMI проект 300mmPrime (300P), нацеленный на повышение производительности производства и сокращение длительности рабочего цикла 300-мм оборудования. Обе программы проводятся параллельно и предусматривают обеспечение совместимости установок двух типов. Большая часть мер, направленных на сокращение длительности рабочего цикла, которые разрабатываются по программе 300mmPrime, как ожидается, будут полезны и для 450-мм производства. Программа 300P - ступенька для перехода к обработке 450-мм пластин, позволяющая снизить риски такого перехода. Конечные цели ISMI: снижение на 30% стоимости производства в пересчете на единицу площади пластины и сокращение длительности цикла на 50%.
Компании-поставщики полупроводникового технологического оборудования, которые только приходят в себя после затруднений, связанных с переходом промышленности к работе с 300-мм пластинами, заявляют, что новый переход к пластинам большего диаметра может разорить их. Опасения поставщиков оборудования основаны на опыте перехода к 300-мм пластинам, когда стоимость НИОКР по разработке оборудования возросла в девять раз по сравнению с затратами на создание 200-мм установок, а вместо прогнозировавшегося высокого спроса на новое оборудование неожиданно наступил резкий застой. Обещанный объем инвестиций так и остался на бумаге, а поставщики оказались практически один на один со всеми проблемами, связанными с разработкой и внедрением весьма дорогостоящего оборудования. Если издержки производства промышленных установок для обработки 450-мм пластин также увеличатся в девять раз, затраты производителей на выпуск такого оборудования превысят 100 млрд. долл. Маловероятно, что они смогут осилить разработку такого оборудования, даже если удастся снизить затраты до 20 млрд. долл. Разработка 450-мм оборудования потребует решения многих технических проблем, таких как увеличение толщины пластин, устранение их коробления и возникновение дефектов в результате термообработки. К тому же, многие поставщики технологического оборудования - это малые и средние фирмы с ограниченным бюджетом, которые не в состоянии окупить разработку 450-мм установок.
Серьезной проблемой является и получение прибыли на инвестированный капитал. Считается, что полупроводниковой промышленности потребуется 30 лет для того, чтобы окупить колоссальные инвестиции в освоение производства микросхем на 300-мм пластинах. По мнению специалистов компании Applied Materials, срок окупаемости 450-мм технологии может превысить срок жизни предприятия. Поэтому отношение к переходу к 450-мм пластинам очень неоднозначное. Наиболее активными сторонниками скорейшего внедрения новой технологии являются представители так называемой "большой четверки" производителей микросхем - Intel, Samsung Electronics, Toshiba и Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC). По итогам третьего квартала 2007 года, объем продаж этих компаний на рынке полупроводниковых приборов составил 21 млрд. долл., или 80% общего объема продаж в 35 млрд. долл. Правда, лишь Intel, Samsung и, возможно, TSMC объявили, что готовы начать строительство 450-мм заводов в соответствии с планом ITRS. О возможности перехода к 450-мм технологии заявили фирмы IBM, Chartered, Powerchip, Qimonda, Promos, Elpida, Nanya, UMC, Micron, SMIC. По оценкам компании VLSI Research, переход к следующему поколению пластин может состояться не ранее 2020-2025 годов. Ряд изготовителей полупроводникового оборудования и приборов во главе с компанией Applied Materials, по мнению которой повышение эффективности существующих технологий более рационально с точки зрения снижения затрат, чем экстенсивное увеличение площади пластин, и вовсе сомневаются в целесообразности такого перехода, считая, что пластины диаметром 300 мм - конечный вариант пластин большого размера.
Несмотря на повышенное внимание, уделяемое проблемам освоения 450-мм производства, продолжается ввод в строй заводов по обработке как 300-мм, так и 200-мм пластин. По данным исследовательской компании The Information Network, в 2007 году в мире должны были запустить девять новых 300-мм заводов и еще 17 заводов - в 2008 году. Увеличат свои производственные мощности в 2008 году 55 заводов по обработке 300-мм пластин. В результате число ежемесячно поступающих на обработку пластин (2,1 млн.) увеличится на 680 тыс., т.е. производительность 300-мм заводов возрастет на 32%. Согласно оценкам Международной промышленной полупроводниковой ассоциации SEMI, в результате появления 26 новых заводов по обработке 300-мм пластин в мире будут действовать 73 таких предприятия, и их общая производительность к концу 2008 года превысит 6,2 млн. пластин в год. Затраты на строительство 300-мм завода в 2008 году, по прогнозам SEMI, возрастут на 40% и достигнут рекордного уровня в 10 млрд. долл. Наибольшие суммы на строительство 300-мм заводов отчисляют компании Тайваня и Японии - 30 и 20% от общих мировых затрат, соответственно. Третье место занимает Китай - 16%. Вполне возможно, что в эру 450-мм пластин сохранится большое число заводов по обработке 300-мм пластин.
Исходные данные
Минимальный размер элемента d, мкм 0,5
Число элементов N, шт 7·105
Напряжение питания UDD, В 2,2
Толщина подзатворного диэлектрика tox, Å 100
Площадь кристалла Sкр, мм2 290
Число контактных площадок на чипе nкп, шт 1500
Размер контактных площадок Sкп, мкм2 452
Шаг контактных площадок, мкм 80
Дополнительные данные для расчёта
Диэлектрическая проницаемость SiO2 εi , Ф/м 3,9
Диэлектрическая проницаемость Si ε , Ф/м 11,9
Диэлектрическая постоянная ε0 , Ф/м 8,85·10-12
Концентрация свободных носителей n, см-3 1,5·10-10
Подвижность свободных носителей μn, м2/c·В 0,15
Статья в тему
САПР устройств промышленной электроники
Измерению
температуры придается большое значение в различных отраслях промышленного
производства. Температура является наиболее массовым и, зачастую, решающим
параметром, характеризующим различные технологические процессы
металлургической, химической, энергетической и других видов пр ...