Идея минифабрик как альтернативный путь развития микроэлектронных производств и прежде всего — мелкосерийных многономенклатурных производств твердотельной ЭКБ, начала активно развиваться относительно недавно, 15-20 лет назад, если не считать таковой проект Lasarrey середины 1980-х годов («зашивка» полузаказных БИС на базовых матричных кристаллах).

Минифабрики – это естественная реакция на значительное удорожания технологического оборудования и фабрик по мере уменьшения технологических норм. Так, в 2015 г. на зарубежных фабриках цена изготовления одной партии кристаллов СБИС по полному циклу «фотошаблоны-пластины-тестирование» с проектными нормами 180 нм составляла 12-15 млн. руб., с нормами 90 нм – 25-35 млн. руб., при 65 нм – 50-70 млн. руб., а при 45 нм – более 150 млн. руб.  Проекты СБИС с нормами 28 нм в 2015 г. стоили уже около 120 млн. долларов плюс 7–10 млн. долларов за само изготовление пилотной партии образцов СБИС. Столь высокая стоимость первых образцов специализированных СБИС, необходимых на стадии разработки аппаратуры в количестве нескольких десятков штук, представляет собой непреодолимый барьер для подавляющего большинства разработчиков и производителей ЭКБ и РЭА.

Этот барьер уже при 45 нм могут преодолеть немногие российские предприятия радиоэлектроники, а именно: ЗАО «МЦСТ», АО «ПКК «Миландр», ЗАО «НТЦ «Модуль», АО НТЦ «ЭЛВИС», АО «НИИМА «Прогресс». Что же касается заказов на изготовление проектов СБИС с нормами 28 нм и менее, то будут ли такие заказы «подъёмны» для каких-либо российских предприятий?

В России в АО «НИИМЭ и Микрон» (Москва, Зеленоград) с 2007 г. освоена технология СБИС с проектными нормами 0,18 мкм, там же в 2011 году достигнут уровень 0,09 мкм (90 нм), в 2015 году — 65 нм. Однако, каждый шаг к меньшим проектным нормам требует многократного увеличения затрат на оборудование, и прежде всего – на оборудование для изготовления фотошаблонов и степперы для создания топологии слоёв СБИС. Эти затраты становятся экономически оправданы лишь при всё более массовом производстве однотипной продукции. Как следствие этого — с каждым новым шагом в более тонкие технологии обостряется противоречие между потребностями приборостроения и развитием микроэлектронники: приборостроение тяготеет к специализации элементной базы, а микроэлектроника стремится к массовости продукции и унификации элементной базы. Создание всё более сложных и разнообразных радиоэлектронных приборов и аппаратуры требует всё более сложных и специализированных под разрабатываемую аппаратуру СБИС, необходимых зачастую всего по несколько десятков штук (к примеру, для космической отрасли), тогда как удорожание микроэлектронных технологий, необходимых для изготовления столь сложных СБИС, экономически оправдывается лишь их массовым производством.

И эта проблема является не только российской – это проблема всей мировой радиоэлектроники.

В  статье [1] со ссылкой на компанию Cadence сообщается о резком росте стоимости проектов при переходе от технологии 32–28 нм к 22–20 нм: НИОКР на создание и освоение 32–28 нм процессов стоили около 1,2 млрд долл., а 22-20 нм уже потребовали затрат 2-3 млрд долл., проектирование микросхемы стоит 50-90 млн долл. для 32 нм и 120–500 млн долл. для 22 нм. Отсюда следует, что для компенсации затрат на разработку и производство БИС требуется продать 30–40 млн. шт. 32-нм микросхем и более 60-100 млн. шт. 20-нм микросхем. Столь высокие цены «входного билета» на радиоэлектронный рынок нового поколение резко снижают количество производителей чипов – от 22 нм и менее их остается не более трёх-четырех компаний на всю мировую радиоэлектронику. Самое опасное и недопустимое для сохранения темпов прогресса в приборостроении это сокращение компаний, разрабатывающих высокоинтегрированную твердотельную ЭКБ из-за чрезмерно высокой стоимости.

Можно ли представить, что весь огромный и разнообразный мир предприятий микро- и радиоэлектроники в ближайшем сведется к 3-4 мегафабрикам – фаундри и к десятку-другому дизайн-центров?  И можно ли считать, что России с ее мощным многоотраслевым и диверсифицированным аппаратуро- и приборостроением будет достаточно1-2 мегафабрик по изготовлению кристаллов, выходить на которые с заказами смогут лишь единицы самых мощных предприятий, разрабатывающих РЭА? Нормально ли будет, когда многие сотни менее мощных прекратят свою деятельность из-за невозможности оплатить свой «билет на вечеринку» и отсталости доступной им ЭКБ? Сегодня, к сожалению, в России доминирует именно такая точка зрения на будущее отечественной микроэлектроники.

Мы уверены, что в ближайшие 5-7 лет появятся компактные и недорогие технологические линии – минифабы для многономенклатурного изготовления единичных образцов (прототипирования) и мелких серий кремниевых СБИС и СВЧ МИС на материалах А3В5 [2,3]. Такие решения уже есть на других рынках: например, биотехнологическом.

Решения, позволяющие кардинально снизить стоимости минифабрик по изготовления кристаллов СВЧ МИС и СБИС:

·                     бесшаблонные технологии изготовления кристаллов ИС с использованием многолучевых электронных литографов для создания рисунка топологии слоёв ИС;

·                     обработка единичных пластин, отказ от групповых технологий обработки партий пластин;

·                     применение пластин небольшого диаметра, достаточного для опытного и серийного производства специализированных ИС в количествах, обеспечивающих производство конкретных видов РЭА;

·                     кластерная организация технологических линий там, где это возможно и целесообразно для сокращения затрат на постройку и эксплуатацию таких линий;

·                     «разумная достаточность» — и не более того, производительности технологических линий производства специализированных ИС в количествах, обеспечивающих производство конкретных видов РЭА.

Активная работа по созданию минифабрик идет в США и в Японии. Вот некоторые примеры [4].

В США последовательно выполнялись программы:

Trusted Foundry: создан «перенастраиваемый» завод ARMS по изготовлению небольших партий ИС, в том числе уже снятых с производства, но необходимых Пентагону для ремонта и оснащения ВВТ, длительное время стоящих на вооружении;

American Mini Foundry:продолжениепрограммы Trusted Foundry. Реализация инициативы нацелена на создание только малосерийного^— оборудования для полупроводниковой отрасли;

Futrfab: компания Futrfab Inc создает минифаб для безмасочной обработки пластин диаметром 2 дюйма, имеющий плотное 3-мерное размещение специального технологического оборудования (рис.1) с возможностью включения в его состав  оборудования для сборки, что снижает стоимость создания и эксплуатации и оборудования, и производственных площадей. Protofab обеспечит максимальную эффективность компактных производственных линий с небольшой производительностью.

.

Рис.1 Схема минифаба Protofab

Япония — пионер стратегии прорыва в полупроводниковых технологиях и производствах, создаёт сеть «минифабов» для малосерийного производства продукции с широким ассортиментом. Там также выполнялась серия программ:

MIRAI Project (Millennium Research of Advance Information Technology): развитие технологии 70-50 нм; Правительство инвестировало $35 млн в проект и $150 млн на создание чистых комнат;

ASUKA Project: целью консорциума одиннадцати крупных японских компаний, включая NEC, Hitachi и MitsubishiElectric, являлось создание технологии проектирования и производства «систем-на-кристалле» с топологическими нормами 0,10 мкм и менее;

HALCA Project (Highly Agile Line Concept Advancement): проект нацелен на развитие сети минифабов и объединил десять компаний, инвестировавших в него $75 млн;

MINIMAL FAB: проектMinimalFab основан на идее создания специализированного оборудования для изготовления малых серий СБИС на пластинах диаметром 1/2 дюйма (12,5 мм). Годовая производительность такой линии должна быть от 1,5 тыс. до 500 тыс. пластин. MinimalFab будут особенно конкурентоспособными в сегментах рынка с объемами потребности СБИС до 10 тыс. шт. На выставке SemiconJapan-2014 была представлена (рис.2) линия полного цикла изготовления КМОП СБИС с проектными нормами 0,8 мкм, состоящая из 25 конструктивно близких технологических установок (рис.3).

                                 

   Рис.2 Выставочный облик MinimalFab          

 

         Рис.3 Облик технологической единицы оборудования MinimalFab

Стоимость MinimalFab может быть более чем в 1000 раз ниже стоимости высокопроизводительной фабрики — мегафабрики «классической» схемы, работающей с пластинами большого диаметра (300 нм и 450 нм) с применением фотошаблонов.

В примечательной статье Д. Боднаря [4] дана более детальная информация о вышеупомянутых проектах минифабрик и приведена со ссылкой на японский консорциум AIST сравнительная таблица расчетных параметров производительности и экономичности линий от мегафабов до минифабов с проектными нормами 90 нм на пластинах 12,8 и ½ дюйма.

Мы полагаем, что через 7– 10 лет, если не раньше, наряду с весьма малым количеством (4-5 или менее) высокопроизводительных мегафабрик, работающих на пластинах диаметром 300 и 400 мм, возникнет значительное количество (сначала 10–15 и далее до нескольких сотен) минифабрик, обслуживающих многие тысячи малых и средних дизайн-центров гражданской и военной направленности.

Задел, имеющийся у российских и белорусских предприятий, позволяет верить в возможность создания в течение 6 –7 лет на основе бесшаблонной электронной многолучевой литографии технологических кластерных линий опытного и серийного производства с проектными нормами 22 нм кристаллов СБИС на Si, КНИ и SiGe и кристаллов СВЧ МИС на гетероструктурах GaAs и GaN/SiC. Еще через 3–4 года могут быть созданы первые образцы технологических линий такого типа для технологий уровня 10–8 нм.

Эти минифабрики, дающие разработчикам РЭА и приборов недорогую возможность быстрого воплощения «в кремний» их замыслов, станут тем рогом изобилия, из которого станут появляться все новые и более разнообразные технические новинки, насыщая собой все сферы бытия человека.

Таблица. Влияние размера фабрики производства на ее показатели

Для России технологические линии — минифабы были бы идеальным решением прежде всего для того, чтобы избавиться, наконец, от импортозависимости в области ЭКБ и для того, чтобы наши «левши» и «кулибины» могли быстро реализовывать свои замыслы в пределах родной земли.

Источники информации:

2.                  В. Немудров и др. Системы на кристалле и системы в корпусе /ж-л «Электроника: НТБ», №1/2014

3.                  А.Хохлун. Концепция создания в России минифабрик по производству современных интегральных микросхем/ ж-л «Вектор высоких технологий», №5/2015

4.                  Д. Боднар. Новый формат компактных кремниевых фабрик – решение для микроэлектроники России/ ж-л «Электронный компоненты», №3/2015