eng
Д-р Широ Хара, главный научный сотрудник Института наноэлектроники Национального института передовых промышленных наук и технологий AIST (Япония), представитель Консорциума по исследованию системы Minimal Fab
DOI: 10.22184/1993-8578.2017.75.4.6.12
DOI: 10.22184/1993-8578.2017.75.4.6.12
Сенсацией выставок SEMICON Japan последних лет неизменно становится демонстрация действующего микроэлектронного производства на выставочном стенде японского консорциума Minimal Fab. Технологические модули Minimal Fab выглядят очень эффектно: они имеют типовой эргономичный дизайн и одинаковый размер – ниже среднего человеческого роста при ширине около 30 см. Главной же их особенностью является возможность работы вне чистых помещений. Это уникальное технологическое решение привлекло внимание российских специалистов микроэлектронной отрасли, и в конце 2016 года было объявлено о подписании соглашения о сотрудничестве между МИЭТ, Корпорацией развития Зеленограда и японскими компаниями Yokogawa и Tokyo Boeki, входящими в консорциум по развитию Minimal Fab. В начале июня в Россию прибыла представительная японская делегация, в состав которой вошел изобретатель концепции Minimal Fab д-р Широ Хара из Национального института передовых промышленных наук и технологий AIST (National Institute of Advanced Industrial Science and Technology). В офисе российского представительства компании Tokyo Boeki г-н Хара ответил на вопросы нашего журнала.
Господин Хара, как возникла идея создания системы Minimal Fab?
В нанотехнологиях, в особенности в микро- и наноэлектронике, существует большой разрыв между стадией исследований и разработок и внедрением новых решений в производство. Анализируя причины этой ситуации, я пришел к выводу, что главной проблемой является огромный размер инвестиций, которые необходимы для реализации новых технологических решений. Большие средства требуются не только для покупки собственно технологического оборудования, но и для создания и поддержания необходимой производственной инфраструктуры, в первую очередь – чистых помещений. Тогда у меня и возникла идея создания небольшой по размерам производственной системы, которая требовала бы минимальных капиталовложений и могла бы работать вне специально подготовленных чистых комнат. Одной из базовых технологий для реализации Minimal Fab стала разработанная мною в 1990-х годах концепция локализации чистой среды внутри технологического оборудования (Clean localized wafertransfer system) с транспортировкой пластины в специальном контейнере Minimal Shuttle, что исключило необходимость работы в чистых помещениях. Вторым принципиальным решением стала работа с пластинами диаметром полдюйма, благодаря чему оборудование является очень компактным.
В 2004 году я получил финансирование от AIST на разработку Minimal Fab в сумме 300 млн иен. Позднее, при поддержке правительства Японии был создан консорциум Minimal Fab Development Association, в который вошли ведущие компании, разрабатывающие и производящие оборудование для микроэлектроники, а также университеты, исследовательские центры, производители расходных материалов, системные интеграторы и др.
Каким образом в Minimal Fab локализуется чистая среда?
Каждая пластина транспортируется между технологическими модулями в герметичном контейнере, где находится в чистой азотной среде. Таким образом, ее контакт с воздухом в помещении и другими "грязными" средами полностью исключается. Исследования подтвердили надежность такого решения.
Для каких задач предназначены комплексы Minimal Fab?
Minimal Fab могут использоваться как центрами исследований и разработок, так и для промышленного производства полупроводниковых приборов. Благодаря меньшей стоимости по сравнению с обычным оборудованием, Minimal Fab значительно снижают порог инвестиций для выхода на рынок. При этом есть возможность практически безграничного наращивания производственных мощностей путем добавления новых линий. Таким образом, наше оборудование может эффективно применяться для исследований, прототипирования и изготовления продукции любой серийности, от единичных экземпляров до массового выпуска.
При производстве малых заказов исключительно важно время подготовки к работе и настройки оборудования. У Minimal Fab оно минимально благодаря исключительной быстроте выхода на рабочий режим и высокой автоматизации. Как результат, время производства сокращается, а производительность максимизируется.
Какая инфраструктура необходима для установки оборудования?
Требования к инфраструктуре минимальны: источники электропитания, подача азота, подача сжатого воздуха, а также система вытяжки газообразных отходов. Жидкие химические реактивы и вода помещаются в технологических модулях в специальные сменные емкости. Запаса такой емкости хватает надолго, поскольку расход жидкостей для обработки одной пластины исчисляется каплями – десятыми долями миллилитра.
Каковы требования к пластинам?
С точки зрения предъявляемых технических требований, пластины для Minimal Fab ничем не отличаются от обычных пластин. Особо следует обратить внимание лишь на то, чтобы пластина имела закругленный край. Поскольку ее площадь мала, значение краевых эффектов резко возрастает. Острый, необработанный край может стать не только причиной механических повреждений держателей, но и также приводить к накоплению заряда во время плазменных процессов. Разработанное оборудование позволяет изготавливать интегральные схемы, МЭМС и изделия для фотоники на кремнии, арсениде галлия, Ga2O3, сапфире, кварце, нитриде галлия на сапфире, алмазе.
Возможно ли размещение на одной пластине нескольких приборов и как реализуется их разделение?
Как и при работе с обычными пластинами, число приборов зависит от их размера и необходимого количества. Для разделения чипов используется обычная механическая технология. В наш консорциум входит корпорация DISCO, мировой лидер в сегменте оборудования для шлифовки, полировки и резки пластин. Она разработала уникальное решение с регенерацией и многократным использованием воды внутри технологического модуля, что позволяет выполнять механическую обработку без подключения к централизованной системе подготовки и подачи воды.
Существуют ли типовые комплектации систем Minimal Fab?
Минимальный комплект оборудования включает пять модулей для литографических процессов. Он может применяться в комбинации с обычным оборудованием. Комплекс из 25 модулей позволит организовать производство транзисторов. Примерно 30 модулей необходимо для изготовления МЭМС. Универсальный комплекс для коммерческого выпуска полупроводниковых приборов включает около 50 модулей.
Какие типы приборов уже сейчас можно производить на Minimal Fab?
По мере развития системы и появления новых модулей этот перечень расширяется. В 2012 году был изготовлен первый кантилевер, в 2013 году – р-канальный МОП-транзистор, в 2015 году – КМОП-микросхема, в 2016 году – микросхема в BGA-корпусе.
Позволяет ли использование Minimal Fab сократить сроки и стоимость разработки новых приборов?
При использовании для исследований и разработок обычного оборудования время создания коммерческого прибора составляет около трех лет. Применение Minimal Fab позволяет уменьшить этот период до полугода. По нашим прогнозам, в будущем, благодаря Minimal Fab, появится возможность разрабатывать полупроводниковые приборы в 10 раз быстрее, чем сейчас.
Разработаны ли решения для 3D-интеграции?
Мы, безусловно, будем способствовать развитию 3D-интеграции с использованием технологии TSV и других решений, чтобы в одном приборе можно было объединять, например, логические устройства с МЭМС или силовыми модулями. Соответствующие системы готовы примерно на 90%. По нашим оценкам, уже через два года будут доступны для коммерческой реализации полные комплекты модулей для TSV. Практика показывает, что модули для Minimal Fab разрабатываются очень быстро. При этом, концепция Minimal Fab значительно технологичнее для реализации TSV, чем традиционные системы с использованием больших пластин.
Каково время окупаемости систем Minimal Fab?
По нашей оценке, оно составляет около трех лет, то есть по этому параметру мы как минимум не уступаем традиционному оборудованию. Здесь следует заметить, что наши машины уже сейчас примерно в 100 раз дешевле традиционных, а с развитием серийного производства модулей Minimal Fab разница в цене может вырасти до 1 000 раз. При этом, как уже отмечалось, исключаются расходы на чистые помещения, минимальны затраты на расходные материалы и электроэнергию. Последнее обусловлено тем, что после окончания обработки пластины каждый модуль может быть выключен. В традиционном производстве это не практикуется, так как машине требуется несколько часов для стабилизации технологического режима. В Minimal Fab ввиду малого размера пластины режим стабилизируется за время порядка 10 мин. Таким образом, основные затраты при использовании Minimal Fab – это зарплата обслуживающего персонала.
Какова стратегия продвижения Minimal Fab на рынке?
Наши маркетинговые исследования показали удивительную картину рынка. Например, сложно было предположить, что в Европе более 40 полупроводниковых производств используют пластины диаметром четыре дюйма. Множество фабрик выпускают приборы с проектными нормами 1 мкм и больше. В США небольшие предприятия специализируются на изготовлении дорогих приборов ценой в сотни и даже тысячи долларов, которые, тем не менее, востребованы на рынке. При этом у 20% американских фабрик годовой объем не превышает 100 пластин. Перечисленные предприятия – приоритетная целевая группа для Minimal Fab. Однако, наши планы далеко не исчерпываются работой с небольшими предприятиями. Средние компании также можно заинтересовать возможностью развития производства индивидуальных заказов, а большим компаниям Minimal Fab позволит повысить эффективность разработки и освоения изготовления новых приборов. Minimal Fab – универсальный инструмент, который оптимально отвечает тенденциям развития полупроводниковой отрасли.
Интервью: Дмитрий Гудилин
Господин Хара, как возникла идея создания системы Minimal Fab?
В нанотехнологиях, в особенности в микро- и наноэлектронике, существует большой разрыв между стадией исследований и разработок и внедрением новых решений в производство. Анализируя причины этой ситуации, я пришел к выводу, что главной проблемой является огромный размер инвестиций, которые необходимы для реализации новых технологических решений. Большие средства требуются не только для покупки собственно технологического оборудования, но и для создания и поддержания необходимой производственной инфраструктуры, в первую очередь – чистых помещений. Тогда у меня и возникла идея создания небольшой по размерам производственной системы, которая требовала бы минимальных капиталовложений и могла бы работать вне специально подготовленных чистых комнат. Одной из базовых технологий для реализации Minimal Fab стала разработанная мною в 1990-х годах концепция локализации чистой среды внутри технологического оборудования (Clean localized wafertransfer system) с транспортировкой пластины в специальном контейнере Minimal Shuttle, что исключило необходимость работы в чистых помещениях. Вторым принципиальным решением стала работа с пластинами диаметром полдюйма, благодаря чему оборудование является очень компактным.
В 2004 году я получил финансирование от AIST на разработку Minimal Fab в сумме 300 млн иен. Позднее, при поддержке правительства Японии был создан консорциум Minimal Fab Development Association, в который вошли ведущие компании, разрабатывающие и производящие оборудование для микроэлектроники, а также университеты, исследовательские центры, производители расходных материалов, системные интеграторы и др.
Каким образом в Minimal Fab локализуется чистая среда?
Каждая пластина транспортируется между технологическими модулями в герметичном контейнере, где находится в чистой азотной среде. Таким образом, ее контакт с воздухом в помещении и другими "грязными" средами полностью исключается. Исследования подтвердили надежность такого решения.
Для каких задач предназначены комплексы Minimal Fab?
Minimal Fab могут использоваться как центрами исследований и разработок, так и для промышленного производства полупроводниковых приборов. Благодаря меньшей стоимости по сравнению с обычным оборудованием, Minimal Fab значительно снижают порог инвестиций для выхода на рынок. При этом есть возможность практически безграничного наращивания производственных мощностей путем добавления новых линий. Таким образом, наше оборудование может эффективно применяться для исследований, прототипирования и изготовления продукции любой серийности, от единичных экземпляров до массового выпуска.
При производстве малых заказов исключительно важно время подготовки к работе и настройки оборудования. У Minimal Fab оно минимально благодаря исключительной быстроте выхода на рабочий режим и высокой автоматизации. Как результат, время производства сокращается, а производительность максимизируется.
Какая инфраструктура необходима для установки оборудования?
Требования к инфраструктуре минимальны: источники электропитания, подача азота, подача сжатого воздуха, а также система вытяжки газообразных отходов. Жидкие химические реактивы и вода помещаются в технологических модулях в специальные сменные емкости. Запаса такой емкости хватает надолго, поскольку расход жидкостей для обработки одной пластины исчисляется каплями – десятыми долями миллилитра.
Каковы требования к пластинам?
С точки зрения предъявляемых технических требований, пластины для Minimal Fab ничем не отличаются от обычных пластин. Особо следует обратить внимание лишь на то, чтобы пластина имела закругленный край. Поскольку ее площадь мала, значение краевых эффектов резко возрастает. Острый, необработанный край может стать не только причиной механических повреждений держателей, но и также приводить к накоплению заряда во время плазменных процессов. Разработанное оборудование позволяет изготавливать интегральные схемы, МЭМС и изделия для фотоники на кремнии, арсениде галлия, Ga2O3, сапфире, кварце, нитриде галлия на сапфире, алмазе.
Возможно ли размещение на одной пластине нескольких приборов и как реализуется их разделение?
Как и при работе с обычными пластинами, число приборов зависит от их размера и необходимого количества. Для разделения чипов используется обычная механическая технология. В наш консорциум входит корпорация DISCO, мировой лидер в сегменте оборудования для шлифовки, полировки и резки пластин. Она разработала уникальное решение с регенерацией и многократным использованием воды внутри технологического модуля, что позволяет выполнять механическую обработку без подключения к централизованной системе подготовки и подачи воды.
Существуют ли типовые комплектации систем Minimal Fab?
Минимальный комплект оборудования включает пять модулей для литографических процессов. Он может применяться в комбинации с обычным оборудованием. Комплекс из 25 модулей позволит организовать производство транзисторов. Примерно 30 модулей необходимо для изготовления МЭМС. Универсальный комплекс для коммерческого выпуска полупроводниковых приборов включает около 50 модулей.
Какие типы приборов уже сейчас можно производить на Minimal Fab?
По мере развития системы и появления новых модулей этот перечень расширяется. В 2012 году был изготовлен первый кантилевер, в 2013 году – р-канальный МОП-транзистор, в 2015 году – КМОП-микросхема, в 2016 году – микросхема в BGA-корпусе.
Позволяет ли использование Minimal Fab сократить сроки и стоимость разработки новых приборов?
При использовании для исследований и разработок обычного оборудования время создания коммерческого прибора составляет около трех лет. Применение Minimal Fab позволяет уменьшить этот период до полугода. По нашим прогнозам, в будущем, благодаря Minimal Fab, появится возможность разрабатывать полупроводниковые приборы в 10 раз быстрее, чем сейчас.
Разработаны ли решения для 3D-интеграции?
Мы, безусловно, будем способствовать развитию 3D-интеграции с использованием технологии TSV и других решений, чтобы в одном приборе можно было объединять, например, логические устройства с МЭМС или силовыми модулями. Соответствующие системы готовы примерно на 90%. По нашим оценкам, уже через два года будут доступны для коммерческой реализации полные комплекты модулей для TSV. Практика показывает, что модули для Minimal Fab разрабатываются очень быстро. При этом, концепция Minimal Fab значительно технологичнее для реализации TSV, чем традиционные системы с использованием больших пластин.
Каково время окупаемости систем Minimal Fab?
По нашей оценке, оно составляет около трех лет, то есть по этому параметру мы как минимум не уступаем традиционному оборудованию. Здесь следует заметить, что наши машины уже сейчас примерно в 100 раз дешевле традиционных, а с развитием серийного производства модулей Minimal Fab разница в цене может вырасти до 1 000 раз. При этом, как уже отмечалось, исключаются расходы на чистые помещения, минимальны затраты на расходные материалы и электроэнергию. Последнее обусловлено тем, что после окончания обработки пластины каждый модуль может быть выключен. В традиционном производстве это не практикуется, так как машине требуется несколько часов для стабилизации технологического режима. В Minimal Fab ввиду малого размера пластины режим стабилизируется за время порядка 10 мин. Таким образом, основные затраты при использовании Minimal Fab – это зарплата обслуживающего персонала.
Какова стратегия продвижения Minimal Fab на рынке?
Наши маркетинговые исследования показали удивительную картину рынка. Например, сложно было предположить, что в Европе более 40 полупроводниковых производств используют пластины диаметром четыре дюйма. Множество фабрик выпускают приборы с проектными нормами 1 мкм и больше. В США небольшие предприятия специализируются на изготовлении дорогих приборов ценой в сотни и даже тысячи долларов, которые, тем не менее, востребованы на рынке. При этом у 20% американских фабрик годовой объем не превышает 100 пластин. Перечисленные предприятия – приоритетная целевая группа для Minimal Fab. Однако, наши планы далеко не исчерпываются работой с небольшими предприятиями. Средние компании также можно заинтересовать возможностью развития производства индивидуальных заказов, а большим компаниям Minimal Fab позволит повысить эффективность разработки и освоения изготовления новых приборов. Minimal Fab – универсальный инструмент, который оптимально отвечает тенденциям развития полупроводниковой отрасли.
Интервью: Дмитрий Гудилин
Отзывы читателей
