Am 16. Mai veranstaltete MIET (Zelenograd) ein traditionelles Seminartreffen mit japanischen Entwicklern und Herstellern kompakter technologischer Linien, dem sogenannten Minimal Fab.
Das vorherige große Seminar fand dort im Jahr 2017 statt und es gibt fast eine dreistündige Aufzeichnung auf Youtube. Lange wollte ich eine große Notiz zu diesem Thema schreiben, ich sammelte viel Material und nach diesem Treffen bin ich endlich „gereift“. Ein Live-Meeting mit Fragen und Antworten ist jedoch viel effektiver als das Studium von Artikeln. Darüber hinaus gab es in letzter Zeit mehrere Artikel, in denen diese Zeile einseitig behandelt wurde, auf eine Art bewunderte und nicht ganz angemessene Art der „Bewunderung“. Lass es uns herausfinden ...
Reduktionskonzept
Der Hauptideologe des Minimal Fab-Projekts ist der japanische Wissenschaftler Shiro Hara. Mitte der 2000er Jahre schlug er einen radikalen Ansatz vor, um die Kosten der Halbleiterproduktion zu senken - um die Ausrüstung und den Durchmesser der ursprünglichen Wafer zu reduzieren.
Um diese Idee umzusetzen, wurde 2010 mit Unterstützung der japanischen Regierung und unter der Schirmherrschaft des Nationalen Instituts für fortgeschrittene industrielle Wissenschaften und Technologien
(AIST) ein Konsortium gegründet
. Dieses Konsortium umfasst mehr als hundert japanische Unternehmen, die an der Entwicklung von Materialien, Geräten und Technologien beteiligt sind.
Im Jahr 2017 wurde eine separate Organisation beauftragt,
Minimal Fab als vorgefertigte Lösung für den Halbleitermarkt zu bewerben (Tokyo Boeki Group Ltd).
Diese Idee der Reduktion widerspricht dem aktuellen globalen Trend. Wenn Sie sich die moderne Entwicklung der Halbleiterherstellung ansehen, dann tritt zusammen mit einer Verringerung der Mindestgröße eine Zunahme des Durchmessers der Platten und eine Zunahme der Produktivität der Ausrüstung auf. Dies führt dazu, dass mehrere führende Unternehmen wie TSMC, Intel, Samsung heute die Schaffung einer modernen Massenproduktion vorantreiben können. Dies sind die Eigentümer der sogenannten MegaFabs im Sinne des Konzepts.
Sie „halten“ mehr als die Hälfte des Gesamtmarktes und verfügen über bedeutende Produktionskapazitäten für die Produktion von Massen-IP. Kleine Produzenten werden vom Markt „ausgewaschen“ und können im Preis nicht mit den Giganten des Verbrauchersektors konkurrieren. Oder gehen Sie in bestimmte Nischen einzigartiger Produkte mit großem Spielraum, aber kleinen Mengen. Gleichzeitig sind kleine Unternehmen in einer instabilen Position, da sie gezwungen sind, dem globalen Trend der "Gigantomanie" zu folgen und stark in Infrastruktur und Ausrüstung zu investieren. Wenn ich heute eine Linie für ein kleines Volumen und das alte technologische Niveau (~ 3 μm) bauen möchte, muss ich herkömmlicherweise mehr als vor dreißig Jahren zu gleichwertigen Preisen ausgeben. Das ist das Paradoxon.
Was tun für diejenigen, die eine kleine Serie von IP kaufen möchten? Sie können zu denselben riesigen Unternehmen gehen und im Rahmen des MWP einen Shuttle bei ihnen bestellen. Es wird nicht sehr billig und nicht zu schnell sein (Herstellungszyklus 1-2 Monate in CMOS-Technologie 28nm). Wenn Sie jedoch etwas Spezielles in Bezug auf die Technologie benötigen, liegt ein Problem vor. Die Entwicklung der Technologie ist sehr teuer, und niemand wird es tun, um einen Auftrag beispielsweise für zehn Platten abzuschließen. Es wäre schön, ein eigenes Lineal zu haben, aber nicht teuer.)
Der Autor des Minimal Fab-Konzepts schlug vor, die Kosten für die „Eintrittskarte“ für die Herstellung von Halbleitern erheblich zu senken. Dies wird durch folgende Lösungen erreicht:
- Reduzierung des Plattendurchmessers von 300 mm (Plattenfläche ~ 70650 mm2) auf einen Durchmesser von 12,5 mm (Plattenfläche ~ 122 mm2). Dieser Bereich reicht aus, um ein großes oder mehrere kleine Projekte aufzunehmen. Die Platten werden durch "Abschneiden" von großen Platten mit zusätzlicher Bearbeitung hergestellt (Foto der Platte in der Kassette):
- Die Platte befindet sich in einer von der äußeren Umgebung isolierten Kapsel (ein bestimmtes Analogon von SMIF), die sich nur im Inneren des Geräts öffnet. In einem Prozess wird nur eine Platte verarbeitet.
(Ein Behälter mit einer Platte im Inneren wird in das Gerät geladen.)
- Alle Geräte werden in einem einheitlichen Formfaktor (Abmessungen 1440 x 300 x 450 mm) ohne komplizierten Anlauf- und Anschlussvorgang ausgeführt. Jede Einheit führt eine Art von Prozess durch (chemische Behandlung, Ätzen usw.).
Die Schnittstelle und Steuerung von Anlagen ist standardisiert.
Im üblichen MegaFactory-Format ist keine Infrastruktur erforderlich. Gase und Reagenzien befinden sich in den Einheiten in kompakten Kartuschen (Behältern), Gase in Flaschen. Zum Entfernen der gasförmigen Reaktionsprodukte und des Kühlkörpers ist eine Haube erforderlich:
- Es wird erklärt, dass dies keinen Reinraum im Raum erfordert, da die Verarbeitungszone der Platte von der Umgebung isoliert ist. Innerhalb des Plattenverarbeitungsbereichs wird aufgrund der Dichtheit eine Sauberkeitsklasse von ISO 4 erreicht (mit einer externen Sauberkeitsklasse im Raum von ISO 9, einem normalen Büro).
- maskenlose (ohne Fotomaske) Methode zur Bildung eines Musters auf einer Platte. Das Bild entsteht durch direkte Projektion auf einen Fotolack (klassische Anwendung und Entwicklung). Die Wellenlänge beträgt 365 nm, die geschätzte Auflösung des Systems beträgt 0,5 μm. Die Randzone beträgt ca. 0,5 mm (der Arbeitsdurchmesser der Platte beträgt ca. 11 mm).
Offensichtliche Vorteile dieses Konzepts:
- Reduzierung der Anschaffungskosten für die Organisation der Produktion um das Zehn- oder Hundertfache
- Es ist nicht erforderlich, ein Kapitalgebäude mit unterstützender Infrastruktur zu errichten
- Reduzierung der Kosten für die Aufrechterhaltung des Betriebs einer solchen Leitung im Vergleich zu einer herkömmlichen Leitung um das Zehn- oder Hundertfache (durch Reduzierung des Strom- und Materialverbrauchs, Reduzierung des Personals durch Standardisierung der Ausrüstung)
- Deutlich schnellere Probenproduktionszeiten (von einigen Wochen bis zu Tagen)
- Eine Hybridoption ist möglich, wenn einige Operationen vorbehaltlich einer Anpassung an Standard- "großen" Geräten (IL, f \ l) ausgeführt werden können.
- Die Herstellung von Fotomasken ist nicht erforderlich, bei Bedarf ist eine Bildkorrektur möglich
Die Autoren des Konzepts geben sogar die folgende Bewertung ab, indem sie MegaFab und Minimal Fab vergleichen:
Sehr effektiver Vergleich. Es
gefällt besonders
denen, die darauf bestehen, dass Minimal Fab eine vollwertige Fabrik ersetzt, und dies ist der beste und einzige Weg. Nun, hier gibt es Milliarden und hier Millionen.
Aber hier beginnt der Konflikt zwischen Konzept und Realität.
Realität
Bis heute ist das Niveau der implementierten CMOS-Chips auf der Minimal Fab-Linie nicht allzu erstaunlich. Sehr einfache Proben wie NAND-Zellen und Ringgeneratoren, bestehend aus 400 Transistoren. Die Verschlussgröße beträgt einige Mikrometer, die Technologie ist ziemlich primitiv (Stand der späten 70er, frühen 80er Jahre). Auf dem Foto wurden 2018 Muster auf der SEMI Japan vorgestellt.
Und auch eine Folie aus der Präsentation, die eine schematische Route für die Probenahme im Jahr 2013 zeigt. Eine Route mit 39 Operationen, pn-Übergängen von einer Diffusionsquelle, einer Verdrahtungsschicht ...
Ionendotierungsprozesse sind derzeit nicht im Miimal-Fab-Formfaktor implementiert, obwohl noch gearbeitet wird. Bisher wurden Energie bis zu 60 keV und zwei Arten von Elementen, B und P, versprochen. Es ist nicht klar, wie bei einer begrenzten Größe von Anlagen hohe Energien erzielt werden können. Als Option - eine hybride Implementierung (Prozesse auf konventionellen Geräten aufgrund spezieller Halter durchführen).
Die Implementierung einer mindestens zweilagigen Verkabelung, um über den Pegel von 1 bis 0,8 Mikrometern zu sprechen, ist ebenfalls noch nicht sichtbar. Nicht alle PCT-Prozesse wurden implementiert.
Das heute von den Entwicklern erreichte Niveau der Fotolithografie wird mit bis zu 0,5 Mikrometern angegeben. Es wird gesagt, dass dies ein Schritt zu sein scheint, aber einige Materialien werden nicht gezeigt. Weiter in den Plänen ist der Übergang zur Elektronenstrahllithographie, aber dies ist in der Zukunft.
So sieht die Roadmap aus:
Bisher ist der Vergleich einer vollwertigen Fabrik im Wert von fünf Milliarden mit der aktuellen Minimal Fab-Aufstellung etwas irreführend. Und diejenigen, die sich darauf berufen, tun dies entweder aus Unwissenheit oder umgekehrt, weil sie zu viel Wissen haben.
Der Konzeptentwickler selbst kontrastiert sich beispielsweise nicht mit TSMC.
Eine Nische für die Autoren des Miniaml Fab ist zu sehen. Die Abbildung zeigt eine Analyse der US-Halbleiterhersteller (Folie aus der Präsentation 2017).
Ungefähr 98 Fabriken in den Vereinigten Staaten stellen Halbleiter im Prozessbereich von 0,5 Mikrometern oder mehr und Waferdurchmesser von 100 und darunter her. Dies sind meistens Produzenten mittlerer und kleiner Mengen. Dies sind alles Typen (CMOS, MEMS, diskret). Nach dem Stand der Technik entspricht dies bereits in etwa den Fähigkeiten der Minimal Fab-Linie mit dem aktuellen Niveau von ph \ l (auch ohne Elektronenstrahl). Es gibt ein Hardwareproblem für diese Fabriken. Neue Geräte für diesen Durchmesser sind nicht verfügbar, und hier ist das Minimal Fab-Format sehr gut geeignet. Laut Entwicklern sind zum Ersetzen dieser Kapazitäten Tausende von Zeilen Minimal Fab erforderlich.
Grundsätzlich besteht in unserem Land eine ähnliche Situation, jedoch in kleinerem Maßstab. Wir haben auch genug alte Lineale, die mit der Technologie von King Peas kleine Mengen herstellen (verschiedene zottelige Serien von zehn Transistoren nach Pferdestandards usw.).
Die zweite interessante und wirklich relevante Nische sind spezifische Technologien.
SOI, MEMS, Sensoren, Hybridschaltungen (CMOS + -Sensor wie Bolometer), diskrete Mikrowellen-, Backend-Operationen wie Bumping, A3B5-Verbindungen ... All dies wird bei einem kleinen Durchmesser durchgeführt, normalerweise mit kleinen Volumina. Und hier gewinnt Minimal Fab die traditionelle Implementierung (auf dem Foto ein Beispiel für die Implementierung der MEMS-Struktur).
Bisher wurde bekannt gegeben, dass bereits 5-6 Zeilen Minimal Fab für Kunden voll funktionsfähig sind. Ein Vertreter eines der Unternehmen sprach auf dem Seminar über seine Anwendungserfahrung.
Normalerweise verwenden sie die Minimal Fab-Ausrüstung in einem Hybridformat. Das heißt, sie haben einen traditionellen Reinraum mit Geräten für den Backend-Prozess (so etwas wie ein Interposer zum Anstoßen). Mehrere Einheiten von Minimal Fab implementieren Prozesse für die chemische Verarbeitung.
Förderung bei uns
Wir haben die Idee
, dass MinimalFab MIET sukzessive
bewirbt. Hält Seminare und Treffen mit Technologieentwicklern ab (im Rahmen des Treffens wurde nach der Konferenz eine Vereinbarung zwischen der NRU MIET, LLC Tokyo Boeki (RUS) (mit 100% japanischem Kapital) und der Vereinigung der Universitäten, die Personal im Bereich der Elektronikindustrie ausbilden, unterzeichnet.
Es gibt eine
russischsprachige Website von Tokyo BOEKI Rus.
Vor ein paar Jahren kündigte ADGEX sehr erbärmlich den
"Beginn einer neuen Ära in der Welt der Mikroelektronik" an und drohte damit, 2018 "Geräte" zu liefern, die auf der Minimal Fab hergestellt wurden, aber etwas ging schief.
Das persönliche Ergebnis zusammenfassen
- Das Minimal Fab-Format ist nicht nur ein Simulator für das Lernen von Schülern (obwohl ich zugeben muss, dass es vor ein paar Jahren eher so war)
- Ideal für MEMS, Sensoren, Sensoren, Bolometer usw.
- Geeignet für diskrete Geräte, Mikrowellen, Leistungselektronik und bestimmte Materialien wie SOI, A3B5 (möglicherweise in einer Hybridimplementierung).
- Eine sehr realistische Option für die Herstellung von Bipolar- oder CMOS-Schaltungen mit einem Pegel von 3 μm und höher und einem geringen Integrationsgrad (z. B. zahlreiche
militärische Serien mit zehn Transistoren und drei Widerständen mit Pferdegrößen, die noch geschmiedet sind). - vielversprechend für den Ersatz veralteter Lineale von Platten mit kleinem Durchmesser und für eine kleine Serie (ein Problem alter Geräte, das niemand physisch tut)
- äußerst interessant ist die Implementierung von Packaging \ Bumping \ Interposers usw. (im Fall einer kleinen Serie)
- Der CMOS-Wert von 0,5 Mikrometer bis 0,25 Mikrometer - möglicherweise in Zukunft - hängt von Investitionen in Technologie ab.
Als Option in einem Hybridmodus (Minimal Fab in einer klassischen Fabrik).
- Für ein vollwertiges CMOS und einen hohen Integrationsgrad (unter 0,25 μm) gibt es nur wenige Voraussetzungen, selbst wenn es einen Elektronenstrahl f \ l gibt. Trotzdem ist die Größe in nackter Form weit von allem entfernt. Unterhalb von 0,25 Mikrometern ist der technische Prozess und vor allem die Designkomponente viel komplizierter.
- unter 0,18 km - Entwickler sehen in naher Zukunft nicht einmal Pläne
- Große Fabriken mit Knoten von 28 nm und darunter können ruhig schlafen. Minimal Fab ist auf absehbare Zeit kein Konkurrent.
Minimale Fab-Materialien und Ressourcen
- Aufzeichnung eines großen Seminars bei MIET, 2017.
- Das Video über den Herstellungsprozess ist sehr klar.
- Präsentation der SEMI EXPO Moskau 2017