Перспектива советских гигантов микроэлектронной промышленности – стать мини-фабриками
Вытеснение импортной элементной базы из изделий военной электроники – одна из первоочередных задач ОПК России. Достичь этой цели можно только при тесном и конструктивном взаимодействии отечественной микроэлектронной промышленности с предприятиями – разработчиками систем военного назначения.
Избавление от "чипозависимости" – в создании и внедрении собственной системы разработки и производства больших интегральных микросхем (БИС) и сверхБИС (СБИС) на базовых кристаллах (БК).
Центральное звено такой системы (далее – СРП БИС) – фабрика БК, периферийные – отечественные автономные модули для реализации специализированных микросхем на основе БК (мини-фабрики).
Технология персонализации
Производство отечественных БК должно быть размещено на предприятиях – преемниках флагманов советской микроэлектронной промышленности ("Ангстрем", "Микрон"). Коллективы этих современных компаний – изготовителей микросхем прошли через серьезные и болезненные испытания и перестройки, но сохранили научно-технический задел и промышленный потенциал, необходимый для серийного освоения требуемых в СРП БИС базовых кристаллов.
“Есть большой риск отказа микросхемы при радиационном или электромагнитном излучении, а также самоуничтожения интегральной структуры по радиокомандам”
Из открытых печатных источников, материалов тематических конференций следует, что на отечественных заводах – изготовителях серийных микросхем может быть достигнута в качестве производственной нормы разрешающая способность фотолитографии 180–90 нанометров. При этом диаметр типовой кремниевой пластины-заготовки составляет 200–300 миллиметров. На ней можно разместить и сформировать до 196 БК размером 10х10 миллиметров.
Опыт показывает, что для типовой CMOS-технологии на кристаллах размером 10х10 миллиметров при проектных нормах 180 нанометров возможна реализация интегральных структур со степенью интеграции до 100 тысяч эквивалентных вентилей на кристалле. По функциональной сложности это равно 50 микросхемам средней степени интеграции, то есть один базовый кристалл может включить в себя содержимое одной-двух плат электронной аппаратуры при одновременном снижении потребляемой мощности. На БК этого же типа целесообразно формировать цифровые или цифроаналоговые схемы, в два-три раза превышающие по быстродействию решения предыдущего поколения. Количество используемых выводов на БК должно соответствовать корпусам микросхем, освоенным на сегодня отечественной промышленностью, и не превышать 256 штук.
Разработка может быть проведена силами конструкторских подразделений предприятий – изготовителей микросхем с привлечением научных кадров отечественных университетов с учетом сложившихся кооперационных связей. Безусловно, необходим конкурс для выявления лучших проектов БК. Отбор конкурсных вариантов должен проводиться при активном участии конечных потребителей, то есть с привлечением представителей крупных фирм, выпускающих отечественную военную электронику. Новое в разработке БК для СРП БИС – учет требований, предъявляемых к их структурно-технологическому исполнению со стороны минифабрик. Учитывая ограниченное время на создание и внедрение СРП БИС, необходима тесная неформальная связь разработчиков мини-фабрик и кристаллов БК. Как это выглядит на практике?
Для начального формирования требуемых технических свойств мини-фабрик СРП БИС мы обратились к характеристикам системы DWL (direct write laser) 2.0 фирмы Lasarray (Швейцария), которая была реализована в коммерческом варианте 30 лет назад. Несмотря на значительный возраст этого проекта, главные идеи, заложенные в него, представляются нам актуальными в нашей микроэлектронной действительности. Основные технические характеристики системы DWL 2.0, которые следует заимствовать и перенести в обсуждаемый проект мини-фабрики СРП БИС, формулируются следующим образом:
- автономная модульная система, в которой каждый модуль представляет собой компактную гермозону и объединяется с другими как "поточные камеры" (flowbox);
- мини-фабрика, в которой применение лазерного устройства позволяет за счет устранения масочного формирования интегральных структур обеспечить оперативное изготовление полузаказных микросхем на основе специализированных БК, выполненных по технологиям CMOS, BiCMOS, Bipolar на кремнии, GaAs;
- наличие в составе мини-фабрики рабочих мест проектировщиков полузаказных БИС на базе персональных компьютеров, оснащенных специализированным САПР с графическим редактором ввода, подсистемой логического и аналогового моделирования интегральных схем, программными средствами формирования тестов на разрабатываемые микросхемы и генерации финишных технологических файлов, управляющих лазерным устройством.
Уникальность обсуждаемого варианта мини-фабрики определяет лазерная установка. В системе DWL 2.0 был применен 40 mW, 442 нанометра гелий-кадмиевый (HeCd) лазер, который в настоящее время широко используется для изготовления фотошаблонов в микроэлектронике. Оптический луч лазера экспонирует поверхность пластины-заготовки, на которую нанесен светочувствительный фоторезист. Перемещение луча лазера по пластине осуществляется с помощью передвижной поверхности стола с закрепленной на ней пластиной. Движение стола управляется по данным, записанным в специальный "файл прошивки". Экспонируются те области металлизированного верхнего слоя БК, которые при дальнейшей химической обработке пластины должны быть удалены. Такая технология персонализации БИС позволяет упростить процесс производства микросхем, устранив операции, связанные с напылением металлических межсоединений на поверхность БК.
В лазерную установку DWL 2.0 был внедрен способ многолучевого экспонирования обрабатываемой поверхности за счет расщепления лазерного луча акусто-оптическим методом. При этом обеспечивается скорость экспонирования в 135 мм2/мин, а время обработки 100-мм пластины-заготовки составляло 45 минут. Площадь, занимаемая лазерной установкой DWL, равна 1,5 м2, что позволило разместить все оборудование в первой компактной гермозоне с классом чистоты ИСО-7 (Р7-10000). Доработанное лазерное устройство DWL 2.0 пригодно для его использования в качестве базового элемента СРП БИС. Что в первую очередь должно увеличить поле экспонирования со 160х160 до 300х300 миллиметров.
В мини-фабрике DWL 2.0 к лазерной гермозоне непосредственно примыкает гермозона "мокрых процессов". Она предназначена для проявления, травления, раздубливания фоторезиста, химической подготовки поверхности, нанесения и удаления фоторезиста, отмывки от технологических загрязнений. Этот участок ориентирован на мелкосерийное производство (десятки, сотни микросхем одного типа), которое не требует полной автоматизации химической обработки пластины-заготовки и содержит рабочие места технолога-оператора и визуального контроля. Гермозона "мокрых процессов" выполнена по классу чистоты ИСО-7 (Р7-10000), две рассмотренные гермозоны разделены шлюзом, оснащенным воздушным душем, для входа-выхода персонала. Вход в лазерную гермозону требует специальной одежды-скафандра. Работа в "мокрой" гермозоне осуществляется технологом-оператором в синтетических (непылящих, нелюминесцирующих, с антистатической обработкой) халате, шапочке, бахилах.
По заказу покупателя
Модуль финишных операций изготовления микросхем представляет собой наиболее обширную гермозону. В ней размещено оборудование, позволяющее выполнять следующие виды работ:
- разбраковку кристаллов на пластине-заготовке;
- скрайбирование (резку) пластины-заготовки на отдельные БК;
- упаковку кристаллов в корпус микросхемы и термокомпрессию выводов корпуса к контактным площадкам БК;
- тестирование и разбраковку готовых микросхем.
Наиболее сложная и дорогостоящая часть этого модуля – тестер БИС, представляющий собой электронное программно управляемое устройство, настраиваемое на контроль БИС с произвольной выполняемой функцией. Файл тестового контроля формируется в процессе проектирования БИС на БК и содержит сведения о назначении каждого контакта, информацию о входных тестовых воздействиях и эталонных выходных реакциях микросхемы. В процессе тестирования на контролируемую интегральную структуру в определенные программой моменты времени подаются входные воздействия, выходные реакции синхронно считываются и сравниваются с эталонными значениями.
Программная настройка тестера на тип испытуемой микросхемы и отображение результата тестирования обеспечиваются на рабочей консоли тестера, использующей стандартный компьютер. Особенность рассматриваемого тестера БИС – его универсальность в части испытуемых объектов: не только контроль БК на пластине, но и финишное тестирование микросхем, которые конструктивно могут оформляться в корпуса разного типа. Поэтому тестер БИС в рассматриваемой минифабрике должен комплектоваться механическим адаптером на 256 контактов, обеспечивающим устойчивый микроомный электрический контакт между внешними контактными площадками БК и вводами тестера, а также контактирующими (зажимными) устройствами для каждого типа используемых корпусов микросхем. Как показал опыт работы на минифабрике Lasarray, инженер-оператор тестера должен владеть инструментом проектирования БИС, так как при отработке опытных образцов микросхем необходима оперативная отработка замечаний проектировщика, которая требует коррекции тестов, а зачастую внесение оперативных изменений в сам проект.
Меньшей квалификацией может обладать техник, отвечающий за операции скрайбирования и упаковки кристалла БИС в корпус. Для этого модуль оснащается стандартным устройством резки пластин на отдельные БК и установкой термокомпрессии. С целью снижения стоимости оборудования используются варианты ручного выполнения этих операций. В третьей гермозоне выполняются работы, требующие меньшей чистоты помещения по классу ИСО-8 (Р8-100000). Однако важна электростатическая защита от пробоя кристаллов БИС разрядом статического электричества. К третьей гермозоне примыкают два шлюза с воздушным душем. Один из них является входным, он соединен с внешним пространством, второй – проходной в гермозону "мокрых процессов".
Важно отметить, что фирма Lasarray стремилась к уменьшению затрат при пуско-наладке своей минифабрики и снижению расходов по ее эксплуатации у конечного пользователя. Поставка минифабрики Lasarray осуществлялась в контейнерном исполнении автотранспортом. Особых требований к помещению, где монтировался контейнер, не предъявлялось. Все оборудование минифабрики, включая инженерное обеспечение, предварительно было отлажено у изготовителя. Пуско-наладочные работы проводились силами четырех-пяти специалистов и занимали около двух недель. В поставку был включен комплект фильтров, расходных материалов, пластин-заготовок, который давал возможность покупателю освоить работу на минифабрике, изготовив БИС по нескольким собственным проектам. Это поддерживалось курсом обучения, информационными материалами, оперативным консультированием. Непосредственная работа в гермозонах осуществлялась четырьмя инженерно-техническими специалистами. Пять рабочих мест проектировщиков позволяли вести интенсивную разработку группе из шести инженеров-схемотехников. Такую организацию пуско-наладочных и штатных работ на минифабрике целесообразно использовать в случае развертывания СРП БИС.
Недостаток мини-фабрик с непосредственным экспонированием подложек микросхем – малая производительность по сравнению с типовым микроэлектронным производством БИС. Для устранения этого недостатка в системе DWL 2.0 предусмотрены возможности изготовления фотошаблонов путем лазерного экспонирования заготовки и ее дальнейшей химической обработки. Что может быть рекомендовано в СРП БИС для проектов с требуемым количеством микросхем более одной тысячи. В таком случае опытные образцы БИС изготавливаются на мини-фабрике, испытываются, корректируются в случае необходимости, после чего лазерным экспонированием делается фотошаблон для формирования верхнего слоя металлизации БК. Готовый шаблон и файл тестового контроля БИС передаются на микроэлектронное предприятие – изготовитель БК для серийного выпуска.
Затраты и прибыль
Производство масок на лазерной установке открывает новые сферы применения минифабрики в разработке электронных изделий:
- увеличенное до 300х300 миллиметров поле экспонирования дает возможность формировать фотошаблоны для многослойных печатных плат или керамических подложек, составляющих конструктивную основу приборостроения;
- формирование масок при изготовлении ЖКД (жидкокристаллических дисплеев) и микромеханических структур (типа сенсоров).
Опытная эксплуатация минифабрики Lasarray выявила полную зависимость ее функционирования от заданного типа расходных материалов: пластин-заготовок, фоторезиста, проявителя, фильтров воды и воздуха и т. д. Для минифабрики СРП БИС необходима тщательная проработка ее инженерного и технологического обеспечения, которая должна свести к минимуму импортные и ненадежные источники поставки упомянутых материалов.
Помимо анализа технических возможностей, необходима оценка затрат на реализацию СРП БИС. В качестве прототипа фабрики СРП БИС рассмотрим соответствующее изделие фирмы Lasarray, цена которого при продажах в 1990 году составляла 4,2 миллиона долларов. С учетом изменения покупательной способности доллара США стоимость минифабрики Lasarray сегодня можно оценить в 8,4 миллиона. Примем, что стоимость разрабатываемой минифабрики СРП БИС равна стоимости прототипа. Тогда планируемая выручка от продажи первой партии из 10 минифабрик прототипов СРП БИС составит 84 миллиона долларов. Закладывая 20 процентов от выручки в прибыль, затраты на проектирование и изготовление 10 образцов таких минифабрик равны 67,2 миллиона долларов. Учитывая необходимость доработок аппаратуры и программных средств прототипа затраты на реализацию минифабрик СРП БИС можно оценить в 80 миллионов. При сохранении 20 процентов прибыли от выручки стоимость одной минифабрики СРП БИС равна 10 миллионов долларов.
Много это или мало?
Современные микроэлектронные предприятия – уникально дорогие проекты. По экспертной оценке, для открытия полного производственного цикла с проектными нормами в 22 нанометра требуемые финансовые затраты составляют 50 миллиардов долларов. Справедливы утверждения:
- в России копирование общемировых подходов к созданию микроэлектронных производств по типу Intel, TSMG, Samsung, VMC и т. д. невозможно в силу неэффективности;
- все больше разработчиков понимают, что заказывать пилотные партии специализированных БИС с проектными нормами ниже 45 нанометров слишком дорого, а сроки исполнения заказов будут непозволительно длительными.
Решение обозначенных проблем заключается в реализации мини-фабрики, обеспечивающей изготовление разнообразных интегральных структур, включая БК, с технологической нормой 45 нанометров.
Мини-фабрика (площадь "чистых" помещений – 750 м2, общая площадь – 2500 м2, энергопотребление – 3 МВт, численность персонала – 120 человек) требует 500 миллионов на ее реализацию "под ключ".
Такой подход к снижению "чипозависимости" военной электроники, с нашей точки зрения, разумен и перспективен. Однако он не решает вопрос "отчуждения" разработчика системы от процесса материализации его задумки в интегральную структуру, а следовательно – задачу сокращения сроков разработки БИС и повышения качества их функционирования. Предлагаемая мини-фабрика идеально вписывается в концепцию развития СРП БИС в части модернизации процесса изготовления БК за счет перехода к уменьшенным технологическим нормам производства специализированных микросхем.
Есть еще один способ микроминиатюризации электронной аппаратуры, чрезвычайно популярный у российских разработчиков. Речь о программируемых логических схемах (ПЛИС). С функциональной точки зрения кристаллы ПЛИС подобны БК, отличие в дополнительном технологическом слое, введенном в структуру ПЛИС. Этот слой заполнен матрицей коммутирующих элементов, которые электрическими сигналами настраиваются на определенную, задаваемую пользователем конфигурацию. При этом сформированные на кристалле ПЛИС логические и аналоговые ячейки, соединенные посредством матрицы-конфигуратора, определяют требуемые для выполнения БИС функции. На сегодня это самая дешевая технология проектирования и интегрального исполнения блоков цифроаналоговой аппаратуры широкого применения. Вложив около тысячи долларов, можно приобрести рабочее место проектировщика на базе компьютера, включающее в себя отладочную плату, САПР, типовые библиотечные элементы, инструкции по применению.
Процесс проектирования прототипа БИС во многом сходен с программированием на языках высокого уровня. Отладочная плата служит для настройки матрицы-конфигуратора и тестирования функций, выполняемых микросхемой ПЛИС после ее прошивки. Использование ПЛИС представляет собой яркий пример "чипозависимости". Микросхемы-заготовки требуют большой компонентной избыточности, то есть высокого уровня интеграции, который достигается на производстве с субмикронными технологическими нормами. Как было показано выше, такая технология реализуется при многомиллиардных долларовых затратах, что делает маловероятным ее первоочередное внедрение в отечественную микроэлектронику. Используя зарубежные микросхемы-заготовки, следует говорить об изготовлении прототипа БИС, но не об опытных или серийных образцах БИС. Такой прототип помимо структуры, выполняющей функции БИС, несет в себе технологический слой неизвестного содержания. Есть большой риск отказа микросхемы ПЛИС при воздействии радиационного или электромагнитного излучения, а также самоуничтожения интегральной структуры по командным радиосигналам. Применение микросхем ПЛИС в разработках специальной электроники, включая военную, должно быть ограничено этапами макетирования отдельных блоков аппаратуры. При этом аппарат разработки цифроаналоговых схем на ПЛИС следует адаптировать и использовать в СРП БИС (логическое и аналоговое моделирование электрических схем, языки проектирования высокого уровня типа Verilog или VHDL, библиотечные элементы САПР).
Проведенный нами технический и стоимостной анализ инструментальных средств разработки и изготовления БИС позволяет констатировать: утверждение представителей фирмы Lasarray о рекордной (более чем на порядок) экономии средств покупателей систем типа DWL 2.0 при их желании изготавливать собственные микросхемы (добавим: при контроле всех технологических операций), остается справедливым и по сей день.
Задача для ОПК
Создание и внедрение предлагаемой системы разработки и производства БИС позволит:
- разработать семейство цифроаналоговых БК, ориентированных на современное отечественное микроэлектронное производство, с учетом возможностей формирования верхних слоев металлизаци БИС как с помощью фотошаблонов, так и непосредственным экспонированием лазерным лучом;
- разработать и изготовить автономные технологические модули (мини-фабрики), содержащие аппаратно-программные средства для разработки топологии слоев межсоединений в БИС на БК с последующим экспонированием лазерным лучом верхних слоев БК, получением кристаллов БИС, сборкой и тестированием;
- передать в эксплуатацию мини-фабрики предприятиям – разработчикам ключевых систем военного применения. Обеспечить конструкторское и гарантийное сопровождение эксплуатации на предприятиях-разработчиках. Обеспечить секретность использования и хранения информации о финишной металлизации БИС и СБИС на БК;
- обеспечить на минифабриках разработку БИС на БК со степенью интеграции до 50 тысяч логических вентилей (типа 2И-НЕ) на кристалле с минимальным сроком изготовления опытных образцов микросхем не более 72 часов.
Сергей Ротнов, кандидат технических наук
Юрий Иванов, кандидат технических наук
