Em 16 de maio, o MIET (Zelenograd) organizou uma tradicional reunião de seminário com desenvolvedores e fabricantes japoneses de linhas tecnológicas compactas, o chamado Minimal Fab.
O grande seminário anterior aconteceu lá em 2017 e há quase uma gravação de três horas no youtube. Durante muito tempo, eu quis escrever uma grande nota sobre esse tópico, colecionei muito material e, depois dessa reunião, finalmente "amadureci". Ainda assim, uma reunião ao vivo com perguntas e respostas é muito mais eficaz do que estudar artigos. Além disso, recentemente houve vários artigos em que essa linha é abordada unilateralmente, de alguma forma admirada e não totalmente adequada de “admiração”. Vamos descobrir ...
Conceito de redução
O principal ideólogo do projeto Minimal Fab é o cientista japonês Shiro Hara. Em meados dos anos 2000, ele propôs uma abordagem radical para reduzir o custo da produção de semicondutores - seguir o caminho da redução de equipamentos e do diâmetro das bolachas originais.
Em 2010, para implementar essa idéia, foi criado um consórcio com o apoio do Governo do Japão e sob os auspícios do Instituto Nacional de Ciências e Tecnologias Industriais Avançadas
(AIST). Este consórcio inclui mais de uma centena de empresas japonesas envolvidas no desenvolvimento de materiais, equipamentos e tecnologias.
Em 2017, uma organização separada foi alocada para promover o
Minimal Fab como uma solução pronta para o mercado de semicondutores (Tokyo Boeki Group Ltd).
Essa ideia de redução vai contra a atual tendência global. Se você observar a evolução moderna da fabricação de semicondutores, juntamente com uma diminuição no tamanho mínimo, um aumento no diâmetro das placas e um aumento na produtividade do equipamento. Isso leva ao fato de que várias empresas líderes, como TSMC, Intel, Samsung, podem impulsionar a criação de produção em massa moderna hoje. Estes são os donos dos chamados MegaFabs, em termos de conceito.
Eles “detêm” mais da metade do mercado total, possuindo capacidades de produção significativas para a produção de PI em massa. Pequenos produtores estão sendo "lavados" do mercado, incapazes de competir em preço com os gigantes do setor de consumo. Ou entre em nichos específicos de produtos exclusivos, com uma grande margem, mas com pequenos volumes. Ao mesmo tempo, as pequenas empresas estão em uma posição instável, pois são forçadas a seguir a tendência global da "gigantomania" e a investir pesadamente em infraestrutura e equipamentos. Convencionalmente, se eu quiser construir uma linha hoje para um pequeno volume e o antigo nível de tecnologia (~ 3 μm), terei que gastar mais do que há trinta anos atrás a preços equivalentes. Esse é o paradoxo.
O que fazer para quem deseja comprar uma pequena série de IP? Você pode ir às mesmas empresas gigantes e solicitar um serviço de transporte, como parte do MWP. Não será muito barato e nem muito rápido (ciclo de fabricação de 1-2 meses na tecnologia CMOS de 28nm). Mas se você precisar de algo específico em termos de tecnologia, haverá um problema. O desenvolvimento da tecnologia é muito caro e ninguém o faz para concluir um pedido, por exemplo, de dez chapas. Seria bom ter sua própria régua, mas não caro.)
O autor do conceito Minimal Fab propôs reduzir significativamente o custo do “ingresso” para a produção de semicondutores. Isso é alcançado pelas seguintes soluções:
- reduzir o diâmetro das placas do padrão moderno de 300 mm (área da placa ~ 70650 mm2) para um diâmetro de 12,5 mm (área da placa ~ 122 mm 2). Essa área é suficiente para acomodar um esquema grande ou vários pequenos. As placas são feitas por "recorte" de placas grandes, com processamento adicional (foto da placa colocada na cassete):
- a placa está localizada em uma cápsula isolada do ambiente externo (um certo análogo do SMIF), que abre apenas dentro da unidade. Apenas uma placa é processada em um processo.
(um recipiente com uma placa dentro é carregado na unidade)
- todo o equipamento é executado em um fator de forma unificado (dimensões 1440x300x450mm), sem um procedimento complicado de inicialização e conexão. Cada unidade executa um tipo de processo (tratamento químico, gravura, etc.).
A interface e o controle das instalações são padronizados.
Nenhuma infraestrutura é necessária no formato habitual do MegaFactory. Gases e reagentes estão localizados dentro das unidades em cartuchos compactos (recipientes), gases em cilindros. É necessário um capuz para remover os produtos de reação gasosos e o dissipador de calor:
- é declarado que isso não requer uma sala limpa na sala, uma vez que a zona de processamento da placa é isolada do ambiente. Dentro da área de processamento de chapas devido ao aperto, é alcançada uma classe de limpeza ISO 4 (com uma classe de limpeza externa na sala da ISO 9, um escritório normal).
- método sem máscara (sem máscara fotográfica) para formar um padrão em um prato. A imagem é formada devido à projeção direta em um fotorresiste (aplicação e desenvolvimento clássicos). O comprimento de onda é de 365 nm, a resolução estimada do sistema é de 0,5 μm. A zona da aresta é de cerca de 0,5 mm (o diâmetro de trabalho da placa será de cerca de 11 mm).
Vantagens óbvias deste conceito:
- redução dos custos iniciais para a organização da produção em dezenas ou centenas de vezes
- não é necessário construir um edifício de capital com infraestrutura de suporte
- reduzir o custo de manutenção da operação dessa linha em dezenas ou centenas de vezes em relação a uma linha convencional (reduzindo o consumo de eletricidade, materiais, reduzindo a equipe padronizando o equipamento)
- Tempos de produção de amostra significativamente mais rápidos (de algumas semanas a dias)
- é possível uma opção híbrida, quando algumas operações, sujeitas a adaptação, podem ser executadas em equipamentos "grandes" padrão (IL, f \ l).
- a produção de máscaras fotográficas não é necessária, a correção da imagem é possível, se necessário
Os autores do conceito até fazem a seguinte avaliação, comparando o MegaFab e o Minimal Fab:
Comparação muito eficaz. É especialmente do
agrado daqueles que insistem que a Minimal Fab substitua uma fábrica de pleno direito, e esse é o melhor e único caminho. Bem, aqui há bilhões e aqui milhões.
Mas é aí que começa o choque de conceito com a realidade.
Realidade
Até o momento, o nível de chips CMOS implementados na linha Fab Mínima não é muito surpreendente. Amostras muito simples, como células NAND e geradores de anéis, consistem em 400 transistores. O tamanho do obturador é de alguns mícrons, a tecnologia é bastante primitiva (nível do final dos anos 70, início dos anos 80). Na foto, amostras apresentadas em 2018 na SEMI Japão.
E também um slide da apresentação, que mostra uma rota esquemática para a coleta de amostras em 2013. Uma rota de 39 operações, junções pn de uma fonte de difusão, uma camada de fiação ...
Atualmente, os processos de doping iônico não são implementados no fator de forma Miimal-Fab, embora o trabalho esteja em andamento. Até agora, a energia foi prometida até 60 keV e dois tipos de elementos, B e P. Não está claro como obter altas energias em um tamanho limitado de instalações. Como opção - uma implementação híbrida (faça processos em equipamentos convencionais, devido a suportes especiais).
A implementação de pelo menos uma fiação de duas camadas, para falar sobre o nível de 1-0,8 mícrons, também não é visível. Nem todos os processos PCT foram implementados.
O nível de fotolitografia alcançado hoje pelos desenvolvedores é nomeado de até 0,5 mícrons. Dizem que isso parece ser um passo, mas alguns materiais não são mostrados. Ainda mais nos planos, está a transição para a litografia por feixe de elétrons, mas isso é no futuro.
É assim que o roteiro se parece:
Até agora, a comparação de uma fábrica completa no valor de cinco bilhões e a atual linha Minimal Fab parece um pouco enganadora. E aqueles que apelam para isso o fazem por ignorância ou vice-versa, por causa de muito conhecimento.
O próprio desenvolvedor de conceito não se contrasta com o TSMC, por exemplo.
Um nicho para os autores do Miniaml Fab é visto. A figura mostra uma análise dos fabricantes de semicondutores dos EUA (slide da apresentação de 2017).
Aproximadamente 98 fábricas nos Estados Unidos fabricam semicondutores no processo que variam de 0,5 mícrons ou mais, diâmetros de wafer de 100 e abaixo. Estes são produtores de volumes médios e pequenos, na maioria das vezes. Esses são todos os tipos (CMOS, MEMS, discretos). Pelo nível de tecnologia, isso já corresponde aproximadamente às capacidades da linha Fab Mínima, com o nível atual de ph \ l (mesmo sem um feixe de elétrons). Há um problema de hardware para essas fábricas. Novos equipamentos para esse diâmetro não estão disponíveis e aqui o formato Minimal Fab é muito adequado. Segundo os desenvolvedores, para substituir essas capacidades, são necessárias milhares de linhas de Minimal Fab.
Em princípio, existe uma situação semelhante, mas em menor escala, em nosso país. Também temos governantes antigos o suficiente para produzir pequenos volumes usando a tecnologia de King Peas (diferentes séries desgrenhadas de dez transistores de acordo com os padrões de cavalos etc.).
O segundo nicho interessante e realmente relevante são as tecnologias específicas.
SOI, MEMS, sensores, circuitos híbridos (sensor CMOS +, como bolômetros), operações discretas de microondas, back-end como colisão, conexões A3B5 ... Tudo isso é feito em um diâmetro pequeno, geralmente com pequenos volumes. E aqui o Minimal Fab conquista a implementação tradicional (na foto, um exemplo da implementação da estrutura do MEMS).
Até o momento, foi anunciado que já 5-6 linhas de Minimal Fab funcionam como totalmente funcionais para os clientes. Um representante de uma das empresas falou no seminário e falou sobre sua experiência com a aplicação.
Normalmente, eles usam o equipamento Fab mínimo em um formato híbrido. Ou seja, eles têm uma sala limpa tradicional com equipamentos para o processo de back-end (algo como um interpositor para esbarrar). E várias unidades de Minimal Fab implementam processos para processamento químico.
Promoção conosco
Temos a ideia de MinimalFab
promover sucessivamente o MIET
. Realiza seminários e reuniões com desenvolvedores de tecnologia (no âmbito da reunião, após a conferência, foi assinado um acordo entre a NRU MIET, LLC Tokyo Boeki (RUS) (com capital 100% japonesa) e a Associação de Universidades que treina pessoal no campo da indústria eletrônica.
Existe um
site em russo do Tokyo BOEKI Rus.
Há alguns anos, a ADGEX anunciou pateticamente o
“início de uma nova era no mundo da microeletrônica” e ameaçou começar a fornecer “dispositivos” fabricados na Minimal Fab em 2018, mas algo deu errado.
Resumindo o resultado pessoal
- O formato Fab mínimo não é apenas um simulador para a aprendizagem dos alunos (embora, admito, alguns anos atrás eu pensasse que era mais assim)
- Ideal para MEMS, sensores, sensores, bolômetros, etc.
- adequado para dispositivos discretos, micro-ondas, eletrônicos de potência e materiais específicos, como SOI, A3B5. (possivelmente em uma implementação híbrida)
- uma opção muito realista para a fabricação de circuitos bipolares ou CMOS de nível 3 μm e superior, com um pequeno grau de integração (por exemplo, numerosas séries
militares , de dez transistores e três resistores com tamanhos de cavalos, que ainda são forjados) - prometidamente para substituir réguas desatualizadas de placas de pequeno diâmetro e para uma série pequena (um problema de equipamento antigo que ninguém faz fisicamente)
- extremamente interessante é a implementação de embalagens \ bumping \ interposers e assim por diante (no caso de uma pequena série)
- O nível de CMOS de 0,5 a 0,25 mícrons - possivelmente no futuro, depende de investimentos em tecnologia.
Como opção no modo híbrido (Fab mínimo em uma fábrica clássica).
- para um CMOS de pleno direito e um alto grau de integração (abaixo de 0,25 μm), existem poucos pré-requisitos, mesmo se houver feixe de elétrons f \ l. Ainda assim, o tamanho nu está longe de tudo. Abaixo de 0,25 mícrons, o processo técnico é muito mais complicado e, o mais importante, o componente de design.
- abaixo de 0,18mkm - os desenvolvedores nem veem planos em um futuro próximo
- grandes fábricas com nós 28nm e inferiores podem dormir em paz, a Minimal Fab não é uma concorrente para elas no futuro próximo.
Materiais e Recursos Fab Mínimos
- Gravação de um grande seminário no MIET, 2017.
- O vídeo sobre o processo de fabricação é muito claro.
- Apresentação da SEMI EXPO Moscow 2017