Технологическая платформа. Технологии мехатроники, встраиваемых систем управления, радиочастотной идентификации и роботостроение (стр. 2 )

В последние 10-20 лет наметился переход от вертикально интегрированных производств, включающих в себя и разработку и производство микросхем, к горизонтально интегрированным производствам.

Горизонтально интегрированные производства характеризуются тем, что разработка микросхем ведется fabless-фирмами, которые не имеют собственных производственных мощностей, а изготовление микросхем осуществляется кремниевыми заводами.

Таким образом, сформировалась новая модель полупроводниковой промышленности, согласно которой на fabless-фирмы приходится функция разработки схем, на кремниевых заводах – производство микросхем, на изготовителей комплектного оборудования – производство конечных электронных систем.

Переход на пластины большего диаметра

В настоящее время производство в основано на пластинах диаметра 100 и 150 мм. Из 10 заводов Intel только один выпускает микросхемы на пластинах диаметром 200 мм, остальные заводы на пластинах диаметром 300 мм.

Согласно данным Международной программы развития технологии полупроводниковых приборов (International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS) в 2012 году начнется промышленное освоение пластин 450 мм.

Освоение обработки пластин большего диаметра вызвано, прежде всего, экономическими соображениями. На 300-мм пластине можно разместить почти в 2,5 раза больше микросхем, чем на 200-мм, что снижает себестоимость отдельных микросхем. Как показывает опыт компании Infineon Technology, удельные затраты на производство одной микросхемы ДОЗУ емкостью 256 Мбит оказываются на 30% ниже, чем для аналогичной структуры, производимой на 200-мм пластине.

По мере увеличения обрабатываемых пластин растет стоимость их обработки. Например, если обработка 200-мм пластин фирма Texas Instruments освоила самостоятельно, то освоение 300-мм пластин потребовало проведения совместной программы Initiative 300 International (I300I) в рамках консорциума Sematech. В рамках программы были выработаны стандарты и проведены доконкурентные разработки базовой технологии обработки 300-мм пластин. В консорциум Sematech входят такие крупные игроки, как Аdvanced Micro Devices, Hewlett-Packard, IBM, Infineon, Intel, Matsushita, Micron, NEC, NXP, Qimonda, Renesas, Samsung, Spansion, TSMC и Texas Instruments.

Значительная часть первых 300-мм заводов были совместными предприятиями. Если стоимость новых 200-мм заводов составляет 0,8-1,0 млрд. долларов, то 300-мм заводы стоят 1,5-3,0 млрд. долларов.

В 2007 году Sematech представил план Международной производственной инициативы (ISMI 450mm), в соответствии с которым планируется в годах перейти от 300-мм производств к 450-мм производствам. Данная инициатива вызвала множество критики, так как многие производители опасаются, что переход на 450-мм пластины может их обанкротить. Стоимость оборудования для заводов по обработке 450-мм пластин по оценкам будет стоить в 5-6 раз дороже оборудования для 300-мм пластин.

Организация VLSI Research в 2005 году опубликовал доклад, в котором предлагалось перенести переход отрасли на 450-мм пластины на годы. По ее оценкам на разработку оборудования обработки 450-мм пластин промышленности придется затратить 102 млрд. долларов.

Переход на новую технологию могут позволить себе только самые крупные игроки, такие как Intel, Samsung, Toshiba, TSMC.

Подводя итоги, в микроэлектронной промышленности наблюдается тенденция связанные с переходом на пластины все большего диаметра. Переход на обработку пластин большего диаметра требует значительных капитальных вложений, которые тем больше, чем больше диаметр пластин. Рост капитальных вложений на освоение новых технологий приводит к тому, что производители микросхем вынуждены кооперироваться для разработки новых технологий и стандартов. С другой стороны, создание заводов, работающих с пластинами большего диаметра требует все больше затрат, что могут себе позволить только самые крупные игроки.

Переход на обработку от 200-мм к 300-мм пластинам был осуществлен в годах. В настоящее время ведется обсуждение перехода на 450-мм пластины. Данная инициатива поддерживается в основном крупными игроками (Intel, Samsung) и критикуется более мелкими, которые опасаются, что не смогут осилить новый технологический рывок. В настоящее время предприятия работают с пластинами 100-мм и 150-мм диаметра.

Освоение технологий с меньшими топологическими нормами

Основная тенденция развития микроэлектроники связана с переходом на топологические нормы меньшего размера. Данная тенденция описывается законом Мура, согласно которому каждые два года число транзисторов в микросхемах удваивается.

Стоит, однако, заметить, что существует большое число областей применения, в которых не требуется использования микросхем с малыми технологическими нормами.

Таблица 3- Структура продаж ведущих кремниевых заводов (TSMC, UMC, SMIC, Chartered) по топологическим нормам за первые девять месяцев 2006 года [Ошибка! Источник ссылки не найден.]

Технологическая норма, мкм	Объем продаж, млн. долл.	Доля, %
< 0,09	2389	19,9
0,13	3268	27,2
0,15/0,18	3806	31,6
0,25/0,35	1873	15,6
> 0,35	690	5,7
ВСЕГО	12026	100,0

Так как микросхемы, изготовленные по более малым топологическим нормам, обладаю лучшими техническими и экономическими характеристиками, то кремниевые заводы будут постепенно переходить на меньшие топологические нормы.

Ниже представлен график освоения новых топологических норм фирмой Intel при запуске в производство новых поколений микропроцессоров. График представлен в логарифмической шкале. Точки на линии примерно ложатся на прямую линию, что свидетельствует об экспоненциальном характере процесса. Причем, с 1995 года по 2010 год развитие шло более высокими темпами, чем в среднем от момента создания первых микропроцессоров.

Рисунок 1- График освоения новых топологических норм фирмой Intel при запуске в производство новых поколений микропроцессоров

В последние 20 лет сложилась устойчивое общественное мнение о фатальном технологическом отставании российской микроэлектроники. При этом значительная часть продукции российской микроэлектроники находит спрос на зарубежном рынке. Часто заводы Ангстрема и Ситронкс сравниваются с заводами Intel, что не корректно. Компания Intel ориентирована на выпуск процессоров для персональных компьютеров и серверов, тогда как Ангстрем и Ситроникс ориентированы на производство иных классов микросхем: чипов электронных карт, радиационно стойкой и силовой электроники, микроконтроллеров и т. д. Данные классы микросхем не требуют последних сверхсовременных технологий.

Ниже в таблице приведены сведения о заводах ведущих мировых производителей микроэлектроники (IC Insights) (Таблица 4). Например, компания STMicroelectronics, занимающая седьмое место в рейтинге ведущих компаний микроэлектроники, владеет 10 заводами. Половина заводов выпускают ИС по технологии 100 и более нанометров на пластинах диаметра 150-200 мм. Семь из десяти заводов компании TSMC работают с технологиями более 100 нм на пластинах диаметра 150-200 мм.

На пластинах диаметром 300 мм работают только заводы, освоившие технологический процесс 65 и менее нанометров.

Таблица 4- Заводы ведущих мировых
производителей микроэлектроники (IC Insights)

Завод	Страна	Пластина	Техпроцесс	Технология	Продукция
STMicroelectronics
Fab 1	Италия,	200 мм 48000 к/м	320 нм	МЭМС, BSD, SOI, КМОП	MEMS-based devices, smartpower ICs, NV memory
Fab 2	Италия	200 мм 25000 к/м	100 нм	CMOS, BCD, SOI, MEMS	MEMS-based devices, smartpower ICs, MCUs, HV CMOS ICs, R&D, and flash (for Numonyx)
Fab 1	Италия, Catania	150 мм 30000 к/м	160 нм	Power MOS, BCD, and pilot line RF	Power and RF transistors, smartpower, and analog ICs
Fab 2	Италия, Catania	200 мм 40000 к/м	90 нм	КМОП	Smartcard ICs, EEPROMs, and flash (for Numonyx)
Crolles 1	Франция	200 мм 21500 к/м	90 нм	CMOS and BiCMOS	Analog/RF ICs, image sensors, R&D
Crolles 2	Франция	300 мм 15000 к/м	32 нм	R&D and pilot production of SoC devices	Max capacity of 20K w/m. The Crolles 3 alliance will work within this fab.
Centre Commun (JV w/CNET)	Франция	200 мм	-	CMOS and BiCMOS	R&D
Fab 2	Франция	200 мм 30000 к/м	90 нм	КМОП	Smartcard ICs and embedded-flash MCUs
-	Франция	150 мм 60000 к/м	-	-	Дискретные компоненты
Fabs 1, 2, and 3	Сингапур	150 мм (переход от 125 мм в 2010) 540000 к/м	320 нм	CMOS, bipolar, BiCMOS, BCD, MEMS	Power MOS, bipolar transistors and ICs, analog ICs, smartpower ICs, MCUs, EEPROMs
TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing)
Fab 2	Тайвань, Hsinchu	150 мм 86 000 к/м	450 нм	КМОП, МЭМС	Foundry[1] (аналоговые интегральные схемы)
Fab 3	Тайвань, Hsinchu	200 мм к/м	150 нм	КМОП, МЭМС	Foundry
Fab 5	Тайвань, Hsinchu	200 мм 48 000 к/м	150 нм	КМОП	Foundry
Fab 6	Тайвань	200 мм 95 000 к/м	110 нм	КМОП	Foundry
Fab 8	Тайвань, Hsinchu	200 мм 85 800 к/м	150 нм	КМОП	Foundry
TSMC China Co. Ltd. (Fab 10)	Китай, Шанхай	200 мм 49600 к/м	-	КМОП	Foundry
WaferTech LLC (Fab 11)	США	200 мм 36000 к/м	140 нм	КМОП	Foundry
Fab 12	Тайвань	300 мм 106000 к/м	28 нм	КМОП	Foundry, R&D
Fab 14	Тайвань	300 мм 138 000 к/м	55 нм	КМОП	Foundry
Fab 15	Тайвань (откроется в 2012)	300 мм 100 000 к/м	28 нм	КМОП	Foundry
Infineon Technologies
Infineon Malaysia	Малайзия	200 мм 82000 к/м	200 нм	Bipolar, BiCMOCS, CMOS	В основном силовая электроника, однако, также ASIC (специал. схемы) и микроконтроллер (MCU)
Intel
Fab 12c	США	300 мм 48000 к/м	65 нм	КМОП	Микропроцессоры
Linear Technology
Camas Fab	США	150 мм 15 000 к/м	500 нм	Биполярная технология, КМОП	Аналоговые и аналого-цифровые ИС
Renesas Electronics
Fab 8 and 9	Япония	200 мм 50000 к/м	40 нм	КМОП	Микроконтрол­леры, микропро­цессоры, НИОКР
RF Micro Devices (RFMD)
-	США	150 мм (перешла со 100 мм в 2003 г.) 5 000 к/м	500 нм	GaAs HBT, GaN	RFICs and GaN foundry services
Samsung Semiconductors
Fab 2	США	300 мм 45 000 к/м	30 нм	КМОП	Флеш

Ниже в таблице представлена информация о технологическом уровне мировой микроэлектроники (Таблица 5).