Полупроводниковый завод своими руками

Периодически ко мне обращаются люди с вопросами вроде: «Я нашел инвестора на строительство полупроводникового завода, подскажите, с чего начать, какие подводные камни?» или «Я хочу начать производить сенсоры для видеокамер с нуля», ну и опять про подводные камни. Ну, давайте посмотрим, с чего начать и какие подводные камни.

Disclaimer: Я не буду касаться доступности технологий и оборудования — в разных странах она разная, плюс меняется со временем.

Выбор продукта

Сначала нужно понять, что именно вы собираетесь производить. Продуктов, которые производятся по полупроводниковой технологии, великое множество, и все они потребуют различного набора оборудования и различных типов технологических помещений. Из того, с чем я сталкивался лично: память ^[1], контроллеры и так далее), МЭМС (в основном всевозможные датчики, но не только), фотоника на материалах A3B5 (преобразование электрического сигнала в оптический и обратно). Из этих продуктов самым сложным является КМОП, самым простым — МЭМС.

Также важно понимать, какого размера будет чип. В принципе, чем меньше — тем лучше. Это будет сильно влиять на экономику: во‑первых, чем меньше чип, тем больше их поместится на пластину, тем дешевле будет каждый чип. Во‑вторых, чем меньше чип, тем меньше вероятность появления дефекта (при постоянной плотности дефектов на пластине), то есть растет выход годных (больше рабочих чипов на пластине) и снижаются требования к чистоте производственных помещений (а это дешевле). Так что если можете уменьшить размер чипа — уменьшайте, себестоимость вашего продукта будет ниже. Более подробно про экономику полупроводникового производства писал здесь ^[2]. В двух словах: нужно выпускать десятки (для МЭМС и фотоники) или сотни (для КМОП) тысяч пластин в год, чтобы быть коммерчески успешным. На каждой пластине от нескольких десятков (МЭМС) до нескольких тысяч (КМОП) чипов. Так что нужно чётко понимать, кто будет это все покупать. При меньших объемах чипы будут сильно дороже среднерыночных.

Выбор технологии

Выбор продукта будет определять выбор технологии. Если с технологией МЭМС все относительно просто, технологический маршрут обычно не очень длинный, до сотни шагов; про технологию можно прочитать в интернете и при наличии прямых рук и подходящего оборудования как‑то отработать технологию самостоятельно, то, скажем с КМОП ситуация существенно сложнее.

Если до технологии 90 нм каждая последующая технология была уменьшенной копией предыдущей, то начиная с 90 нм все стало гораздо сложнее, причем сложность увеличивается с каждой последующей технологией. Раньше длина кремниевого затвора становилась меньше, подзатворный диэлектрик (оксид кремния) — тоньше. Чем короче затвор и чем тоньше подзатворный диэлектрик, тем быстрее работает транзистор. Скажем, в середине 80-х годов прошлого века длина затвора была 1 мкм, толщина подзатворного диэлектрика — около 20 нм; пример: процессор 80 386 от Интел. В начале 2000-х длина затвора уменьшилась до 180–130 нм, толщина диэлектрика до 2–3 нм, это уровень Пентиума. То есть Пентиум из 80 386 можно получить простым уменьшением размеров. А дальше начались сложности.

Прямое масштабирование уперлось в физические ограничения материалов. Слишком короткие каналы начали страдать от короткоканальных эффектов, ограничивающих производительность; слишком тонкие подзатворные диэлектрики приводили к существенным утечкам, что тоже было плохо с точки зрения ^[3] потребления энергии. Сверху добавились проблемы с металлизацией: мало сделать транзисторы, их все нужно соединить между собой. У линий металлизации есть сопротивление ® и емкость между проводниками ©. Задержки сигнала при прохождении таких линий будет равна произведению сопротивления на емкость (RC). Так как транзисторов все больше, и размер их все меньше, линии металлизации становятся все длиннее и тоньше, то есть их сопротивление растет. Расстояние между линиями уменьшается, то есть увеличивается емкость. Формулы писать не буду, это школьный курс физики. В итоге задержка распространения сигнала по линиям металлизации с уменьшением технологии растет. И к 90 нм она доросла до того, что превысила задержки переключения транзисторов. Миниатюризация зашла в тупик — транзисторы работают все быстрее, а сигнал между ними идет все медленнее. Для продолжения прогресса нужны были новые решения.

Такие решения появились в виде новых материалов и новых архитектур затворов. Кремний и его соединения, прекрасно работавшие до 90 нм стали менять на другие элементы. Например, подзатворный окисел кремния заменили на материалы с высокой диэлектрической проницаемостью — так называемые high‑k материалы. Это позволило увеличить толщину диэлектрика не уменьшая емкость. Самый популярный материал — оксид гафния. В металлизации алюминий заменили на более проводящую медь, а все тот же окисел кремния — на материалы с низкой диэлектрической проницаемостью (так называемые low‑k материалы). Кремниевый затвор заменили на металлический, причем для n‑канальных и p‑канальных транзисторов металлы нужны разные. В сам канал для увеличения быстродействия стали добавлять германий. Среди новых архитектур можно отметить трехмерные затворы вместо классических двумерных, напряженные (или растянутые) каналы.

Результатом всей этой вакханалии стало резкое усложнение техпроцесса. Если раньше процессор можно было сделать за несколько сотен технологических операций, то сегодняшние техпроцессы требуют около 2000 операций. Причем каждая операция требовала огромных усилий на разработку. Основные производители микросхем давно не разрабатывают технологии самостоятельно — они объединяют усилия в консорциумах вроде IMEC (научный ^[4] центр в Бельгии, я там работал много лет), партнерами которого являются практически все мировые лидеры полупроводникового рынка — Intel, Samsung, TSMC, Global Foundries и другие. Разработать современные технологии в одиночку им не под силу. Основную работу по первоначальных научным исследованиям выполняет IMEC, а когда это начинает приближаться к чему‑то работоспособному, компании‑партнеры забирают прото‑технологию себе и доводят напильником до коммерческого уровня.

Вывод: если у вас есть технология до 90 нм, не надейтесь, что влив денег и купив оборудование у вас получится 10 нм. Нужно либо где‑то купить технологию (тот же IMEC продает), либо пройти все шаги самостоятельно 90 нм — 65 нм — 45 нм — 32 нм — 28 нм — 22 нм — 14 нм — 10 нм. Перескочить через технологию не получится, на каждом этапе было применено что‑то принципиально новое и следующий шаг можно было сделать, только отработав предыдущий.

Фотоника по сложности где‑то между МЭМС и КМОП. Кремниевая фотоника (Si, Si₃N₄) относительно проста, использует хорошо отработанные кремниевые технологии, не требует слишком мелких размеров (обычно полмикрона‑микрон, сравнимо с длиной волны используемого света). Однако, для определенных структур (либо промежутков между структурами) требуются размеры около 100 нм, так что потребуется литографическое оборудование, способное такие размеры напечатать (обычно KrF сканер). Минус кремниевой фотоники — нельзя сделать лазер, так что придется их делать отдельно по другой технологии или покупать готовые.

Фотоника на A3B5 гораздо сложнее технологически, зато позволяет все делать в одном флаконе: и пассивные элементы, и активные. Технология здесь потребует специальных знаний, которыми специалисты в кремниевой технологии скорее всего не обладают. С другой стороны, эта область довольно новая, устоявшихся и хорошо отработанных технологий, как в кремнии, нет, так что если очень хочется — можно попробовать.

Выбор оборудования

Итак, с выбором продукта и технологии определились, время заняться покупкой оборудования. Если вы покупаете готовую технологию, то проблем обычно нет: продаваемая технология была разработана на конкретных установках, они и будут рекомендованы к покупке вместе с технологией (а иногда оборудование продается вместе с технологией). Компания‑продавец предоставит всю необходимую документацию, обучит персонал, поможет с запуском технологии. При наличии работающего оборудования это займет примерно год. В России по такому пути пошли, например «Микрон» (купили технологию у ST Microelectronics, 180 нм в 2006 и 90 нм в 2010) и «Ангстрем‑Т» (купили технологию и оборудование у AMD/Global Foundries, 130 нм в 2007 г.). У первых получилось относительно неплохо, у вторых, скажем так, были сложности.

Если предстоит выбирать оборудование самостоятельно, то отталкиваться нужно от технологии, которая определяет требования к оборудованию. Одна из распространенных ошибок — прийти к производителю оборудования с вопросом: «У меня такой‑то бюджет, что вы можете мне предложить?». Сначала нужно составить требования к оборудованию — какая нужна скорость травления/осаждения, минимальный размер структур, дефектность и так далее, отправить этот список требований производителю оборудования и уже тогда понять, какой бюджет необходим для нужного оборудования. Требования к оборудованию составляются на основе требований технологии к каждому технологическому шагу.

Вторая распространенная ошибка ^[5] — купить для производственной линии «университетское» оборудование. На рынке присутствует два основных класса оборудования: промышленное и, скажем так, научно‑исследовательское, или университетское. На бумаге они будут выдавать примерно одно и то же, но университетское будет ненадежным, плохо воспроизводимым с очень мутной технической поддержкой. Зато оно существенно дешевле, иногда в разы. На что и клюют люди с ограниченными бюджетами. В итоге получается что деньги вроде потратили, линию вроде построили, вот только в производственном режиме работать она не может: постоянные поломки, уход параметров, невоспроизводимые результаты и прочие прелести.

При ограниченном бюджете лучше присмотреться к бывшему в употреблении и восстановленному (refurbished) промышленному оборудованию. Многие производители промышленного оборудования либо выкупают его сами и восстанавливают (ASML, например) либо имеют официальных дилеров, которые этим занимаются (Например Lam Research и компания Ichor). При покупке такого оборудования производитель предоставляет гарантию и послегарантийное обслуживание. Кроме того, есть независимые компании, которые занимаются восстановлением бывшего в употреблении промышленного оборудования.

Еще один важный аспект при выборе оборудования — уровень автоматизации. У автоматизации есть два важных преимущества. Во‑первых, автоматизированное оборудование имеет более высокий выход годных: оно более воспроизводимо — робот кладет пластину всегда одним и тем же образом, не роняет, не путает и не чихает на пластины. В отличие от человека. Это может быть очень критичным при работе с очень хрупкими пластинами (например InP). Во‑вторых, производительность труда в случае автоматического оборудования будет гораздо выше, так как автоматизированное оборудование не требует постоянного внимания ^[6] оператора — можно поставить кассету, выбрать рецепт и машина будет работать несколько часов сама по себе, оператор в это время может делать что‑то еще. Машины с ручной подачей пластин требуют постоянного присутствия оператора. Плюс операторы будут меньше уставать от монотонной работы. С другой стороны, автоматизированное оборудование обычно существенно дороже. Так что при малых объемах производства и ограниченном бюджете можно рассмотреть оборудование с ручной загрузкой пластин, при больших объемах и высоких требованиях к качеству — автоматизированное. Больше про автоматизацию писал здесь ^[7].

Также необходимо решить, какой размер пластин будет использоваться. В принципе, всё более‑менее современное промышленное оборудование по размеру пластин делится на два типа: 300 мм либо 200 мм и меньше. Оборудование на 300 мм работает только с 300 мм пластинами, оборудование на 200 мм обычно можно сконфигурировать на работу с меньшими размерами (стандартные: 200 мм, 150 мм, 100 мм, 75 мм и 50 мм, либо часто используются дюймы: 8, 6, 4, 3 и 2). При выборе размера есть два основных критерия, один очевидный, второй не очень. Очевидный критерий экономический: чем больше размер пластины, тем большее количество чипов можно произвести за те же деньги (машина ведь обрабатывает пластины, не чипы), то есть каждый чип получается дешевле.

Менее очевидный: при производстве КМОП, все технологии ниже 90 нм разработаны на 300 мм пластинах и на соответствующем оборудовании, для пластин 200 мм (или меньше) оборудования такого уровня нет. Так что технологию 20 нм на 200 мм пластинах сделать не получится — нет соответствующего оборудования. Машины на 300 мм существенно дороже машин для меньших размеров (часто в разы), но при работе с технологиями КМОП меньше 90 нм выбора нет. Так что если у вас есть завод с 200 мм оборудованием, то меньше 90 нм из него не выжмешь, хочется более высоких технологий — меняйте оборудование на 300 мм. На размер пластин также могут влиять и другие факторы: например, пластины из специальных материалов (такие как полупроводники A3B5 или пьезоэлектрики) могут быть только небольших размеров, либо необходимо работать с очень тонкими пластинами, а пластины большого размера малой толщины будут механически нестабильны.

После выбора типа оборудования и размера пластин, необходимо определить сколько единиц оборудования покупать. Здесь водораздел проходит между «одна единица оборудования каждого типа» и «больше одной единицы каждого типа». Первый вариант самый бюджетный, но проблемой является то, что при выходе из строя (или плановом обслуживании) одной установки, встает вся линия, так как другого пути для пластин нет. В итоге производственный цикл продукта становится сильно дольше. Но если объем производства небольшой и задержки со сроками не проблема, то можно сэкономить на оборудовании, купив по одной единице каждого типа.

Если бюджет позволяет купить более одной единицы оборудования, то необходимо знать производительность оборудования. Как известно (см. например, книги Голдрата), производительность производственной линии не может быть выше производительности самого медленной операции (bottleneck). Самый простой способ увеличить производительность медленной операции — добавить еще единиц оборудования и запустить их в параллель. В идеале производительность каждой операции должна быть примерно одинакова. Поступают обычно следующим образом: начинают отсчет с литографического оборудования, так как оно самое дорогое и позволить его простой из‑за того, что какая‑нибудь существенно более дешевая установка осаждения ограничивает производительность линии, невыгодно.

Современные литографические машины имеют довольно большую производительность (например, твинсканы от АСМЛ могут обрабатывать около 200 пластин в час), количество остального оборудования подбирают так, чтобы его производительность была равна или больше производительности литографии. Необходимо учитывать, что если какое‑то оборудование встречается несколько раз в техмаршруте, то его производительность будет кратно меньше. То есть, если литография встречается 10 раз, то при паспортной производительности 200 пластин/час, реальная будет 20 пластин/час. Если производительность установки осаждения, скажем, 10 пластин в час, встречается она в техмаршруте 5 раз, то понадобится 10 установок осаждения ((10×10)/5 = 20) чтобы соответствовать одной машине литографии (200/10 = 20). На самом деле все гораздо сложнее, так как надо учитывать не паспортную производительность, а реальную, на которую влияет частота обслуживания, частота поломок и так далее. Но это все вы узнаете после запуска фабрики (дьявольская ухмылка).

Проектирование и строительство завода

Ну что ж, зная продукт и технологию мы определились с оборудованием и его количеством. Можно приступать к проектированию завода.

Если обратиться в проектную компанию с большим опытом ^[8] проектирования и строительства чистых помещений для полупроводникового производства, скорее всего простого списка оборудования им будет достаточно, чтобы предложить решение. Если такой компании нет, или их услуги стоят слишком дорого и в бюджет заложены не были, то придется составлять подробное техническое задание самому.

Самый понятный вариант (хотя и самый сложный в реализации) — производственные помещения для 300 мм оборудования. Помещения содержит несколько этажей, на самом нижнем (sub fab) располагается вспомогательное оборудование (газовые шкафы, форвакуумные насосы, емкости с химией и так далее). На втором этаже располагается собственно чистое помещение так называемого «зального» типа (ballroom cleanroom), одно большое помещение без перегородок, коммуникации проходят снизу оборудования через перекрытия во вспомогательное помещение на первом этаже. Горизонтальные коммуникации проходят под фальшполом. Над чистыми помещениями находится еще один этаж, где располагаются воздуховоды для постоянного воздухообмена в чистой части.

Так как 300 мм пластины находятся в герметичных боксах (FOUP — Front Open Unified Pod) а к каждой машине индивидуально подводится чистый воздух, то чистота самих производственных помещений может быть не такой уж и большой (вплоть до ISO 7), пластины эту атмосферу не видят и загрязнений из нее не получат.

Для меньших размеров пластин (точнее, для оборудования под них), разнообразие конструкций гораздо больше. Для 200 мм пластин можно сделать такой же вариант, как и для 300 (только тут будут использоваться SMIF — Standard Mechanical Interface), но можно и проще — например не использовать отдельный вспомогательный этаж, а вспомогательное оборудование разместить сбоку, в так называемой «серой» зоне. В таком случае у оборудования в чистую часть выходит только загрузочный модуль, а вся остальная часть располагается в серой зоне. Обычно такие помещения выглядят как череда «чистых» и «серых» коридоров, их еще иногда называют чистыми комнатами коридорного типа. Такие производственные помещения можно расположить на одном этаже, что удобно, если производство оборудуется в уже существующем здании.

Требования по чистоте к таким помещениям часто выше, так как кассеты с пластинами обычно достаются из коробок для загрузки в шлюзы. В зависимости от технологии, чистота может доходить до ISO 3. Чем выше класс чистоты, тем дороже чистое помещение. Высокие классы чистоты требуют ламинарных потоков воздуха, что существенно удорожает строительство и эксплуатацию (в этом случае придется делать еще фальшпол с отверстиями). Это одна из причин, почему для 300 мм оборудования используется индивидуальная подача воздуха: это позволяет снизить требования по чистоте для самого помещения. Оборудование дороже, зато чистые комнаты немного дешевле.

Запуск оборудования

В идеальном случае оборудование должно быть поставлено к моменту окончания строительства и запуска чистых комнат. В реальности, строительство довольно часто затягивается и приходится либо где‑то хранить уже поставленное оборудование, либо просить производителя придержать поставку. Что иногда приводит к курьезным ситуациям. Так, одна компания заказала литографическое оборудование (сканер для эскпонирования и трек для нанесения и проявки резиста). Это две машины от разных производителей, но могут совмещаться: пластины загружаются в трек, там наносится резист после чего пластины автоматически загружаются из трека в сканер, засвечиваются, возвращаются обратно в трек где проявляются и задубливаются. И у трека, и у сканера есть специальные шлюзы для передачи пластин. И они могут быть в левой конфигурации, а могут быть в правой (ну как машины с левым или правым рулем).

То есть, для совмещения, нужна одинаковая конфигурация и у трека и у сканера: либо оба имеют шлюз слева, либо оба шлюз справа. Так вот, у вышеупомянутой компании произошла серьезная задержка со строительством производственных помещений и производитель сканера предложил готовый к отправке сканер отгрузить другому клиенту (кому надо было срочно), а нашей компании со временем (когда будут готовы помещения) поставить другой. Все согласовали, но потом кто‑то где‑то слегка напутал и когда новый сканер привезли, оказалось, что у сканера шлюз в одной конфигурации, а у трека — в другой. В итоге пришлось совмещать установки со сдвигом, изменились габариты, пришлось разбирать стену и увеличивать отдельный фундамент для сканера и трека. Вот так задержки в строительстве в сочетании с дурацкой ошибкой (не проверили лево/право) может привести к серьезным последствиям.

Еще один курьезный случай произошел с другой российской компанией, которая купила установку для плазменного удаления резиста. Обычно, при покупке оборудования последняя оплата по контракту (чаще всего 10%) производится после запуска оборудования силами производителя. Сотрудники производителя мне рассказали, что сначала российская компания забыла подключить к установке необходимые газы, в следующий раз на заводе отключили воду, причем все это выяснялось только после приезда представителей производителя на завод. Так что запустить оборудование им удалось только то ли с третьего, то ли с четвертого раза и производитель шутил, что расходы на поездки представителей компании в Москву превысили размер последнего платежа по контракту.

После запуска всего оборудования начнется отработка техпроцесса. Даже если вы купили технологию «под ключ», то с первого раза, скорее всего, как надо ничего работать не будет. Я помню, как мы передавали технологию с одного завода компании на другой (из Европы в Штаты) и вроде все было идентично, то же оборудование, те же процессы, но выход годных в Европе был 60%, а в Штатах (по началу) — 20%.

Заключение

Так что же нужно, чтобы начать полупроводниковое производство? В общем‑то, не так много: технологии, оборудование, специалисты и деньги. Дьявол, как известно, в деталях. Не знаете, с чего начать — начните в следующей последовательности:

• Продукт

• Технология

• Оборудование

• Завод

• ???

• PROFIT!!!