Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2016 04 мар

Микроэлектронные минифабрики в России: их облик и очертания программы создания.

Опыт последнего десятилетия показал, что действующие высокотехнологические предприятия российской электронной промышленности - такие как АО «НИИМЭ» и «Микрон», не решили задачу импортонезависимого обеспечения ЭКБ разработок, производства и эксплуатации отечественной РЭА. И нет никаких оснований верить, что эта задача будет решена после ввода в эксплуатацию в Зеленограде новых мегафабрик на 65 нм и на 28 нм.

Имея ввиду успешный опыт создания импортонезависимой специальной микроэлектроники в ОПК Советского Союза, мы полагаем, что и для российского ОПК экономически оправданные разработка и производство специализированных изделий микроэлектроники будут возможны лишь в дизайн-центрах и на технологических участках специальной микроэлектроники при крупных производителях РЭА ВВСТ [1]. Мы полагаем, что создание таких предприятий в российском ОПК возможно и в настоящее время может и должно быть начато.

Практическая импортонезависимость этих дизайн-центров и технологических участков специальной микроэлектроники, ориентированных на разработки и изготовление многономенклатурной единичной и мелкосерийной продукции, будет достигнута, если они будут располагать отечественными средствами САПР и компактными технологическими линиями – минифабриками, работа которых должна быть обеспечена также следующей отечественной триадой: технологиями, материалами и кадрами.

Известно, что ряд программ в Японии (HALCA Project, MINIMALFAB) и в США (American Mini Foundry, Furtfab) нацелены на создание минифабрик для мелкосерийного многономенклатурного производства ИС как альтернативы чрезмерно дорогим мегафабрикам [2]. Нужда в минифабриках - следствие того, что с уменьшением проектных норм, увеличением диаметра и количества обрабатываемых пластин мегафабрики становятся все менее экономически доступны для все большего числа разрабатывающих компаний. С этим мир радиоэлектроники, разумеется, не сможет смириться и выход, несомненно, будет найден – минифабрики будут созданы. Более того, они уже создаются. И как показывают оценки, их стоимость может быть на 2-3 порядка меньше стоимости мегафабрик, т.е. стоимость минифабрики должна быть не более 20 - 50 млн. долл. [2].

Мы полагаем, что и в России, в стремлении к импортонезависимости в сферах, критически важных для ее безопасности и свободного развития, должна быть подготовлена и в ближайшие 8-10 лет исполнена Государственная программа разработки, организации производства и освоения предприятиями – разработчиками аппаратуры и техническими ВУЗами отечественных средств САПР, технологических линий – минифабрик, специальных материалов, измерительного и сборочного оборудования, а также технологий проектирования и изготовления единичных образцов и мелкосерийного производства широкой номенклатуры специализированных СБИС уровня «система на кристалле» и СВЧ МИС с проектными нормами 22-20 нм и далее 10-7 нм, а также микроэлектронных модулей уровня «система в корпусе» (далее ГП «22-07»).

Требования к Госпрограмме «22-07».

С момента создания первых интегральных схем мощным и постоянно действующим стимулом к быстрому развитию технологий и росту уровня интеграции ИС и микроэлектронных модулей стало (и остается до сих пор) стремление максимально уменьшить физический объем аппаратуры и потребляемую ею мощность при максимальном расширении ее функциональных возможностей. Для аппаратуры приема или выдачи сигналов, кроме названных выше, сильными стимулами к развитию технологий являются также требования все более высокой чувствительности при приёме и все большей мощности передачи сигнала в рабочих диапазонах частот, верхняя граница которых также постоянно растет: в серийной аппаратуре она уже достигла уровня 90 - 100 ГГц, в разрабатываемой – 150 ГГц, в экспериментальной доходит до 1 ТГц [3,4].

ГП «22-07» как программа догоняющего и, желательно, опережающего развития отечественной специализированной микроэлектроники, не может не быть программой стратегической в силу своей комплексности, сложности и длительности. И как таковая она должна решить задачи создания кадровых, научных, проектных, технологических и производственных основ для догоняющего и опережающего этапов развития микроэлектроники и радиоэлектронного аппаратуростроения в ОПК России на период как минимум до 2025-2030 годов. Это должно обеспечить импортонезависимость России в сфере твердотельной ЭКБ по крайней мере до 2030-2040 годов и создать возможность разрабатывать и производить в 2025-2050 годы перспективные и конкурентоспособные радиоэлектронные системы военного, специального, а также гражданского назначения на отечественной ЭКБ с характеристиками, не уступающими характеристикам лучшей элементной базы иностранного производства. Особенное внимание в «гражданской» сфере нужно уделить телекоммуникациям, медицинскому направлению.

Стратегический, не менее чем десятилетний горизонт планирования ГП «22-07» требует в ходе её создания ориентироваться на прогнозные требования к характеристикам радиоэлектронных вооружений 2025-2050 годов, а эти требования, в свою очередь, должны задать требования к технологиям, средствам проектирования, оборудованию для производства кристаллов, сборки и измерений ключевых групп твёрдотельной ЭКБ: СБИС, СВЧ МИС и микроэлектронных модулей.

Требования к уровню проектных норм СВЧ МИС и СБИС, который должен быть достигнут в ходе исполнения ГП «22-07»:

а) СБИС на кремнии и КНИ

В 2015 году самыми передовыми микроэлектронными предприятиями (Samsung, TSMS, Intel) были серийно освоены технологии КМОП СБИС с проектными нормами 16-14 нм, а на 2017-2018 годы ими же заявлено достижение уровня 10-7 нм. По сообщениям сотрудников Физико-технологического института РАН (ФТИАН) (А.А.Орликовский, В.Ф.Лукичёв, В.В.Вьюрков и др.), физический предел размеров транзисторной структуры, ниже которого она перестает действовать как транзистор вследствие преобладания квантовомеханического эффекта прямого туннелирования носителей заряда между контактами истока и стока, это 3 - 4 нм. Считая необходимым двукратный технологический запас, можно предположить, что проектные нормы 6 - 7 нм явятся тем порогом, за которым невозможно устойчивое воспроизводство характеристик транзисторов и тем самым – устойчивое производство СБИС.

С учетом вышеотмеченного в ГП «22-07» по направлению СБИС на кремнии и КНИ следует включить два этапа– «догоняющий» и «предельный», создания и освоения оборудования, технологий и САПР: в 2016-2021 годы разработать и серийно освоить средства проектирования и производства и создать опытные образцы СБИС с проектными нормами 22-20 нм, а в 2022-2025 годы создать средства проектирования и производства и разработать экспериментальные образцы СБИС с проектными нормами 10-7 нм.

б) СВЧ МИС на гетероструктурах А3В5 (GaAs и GaN/SiC)

По сообщению заместителя директора ИСВЧПЭ РАН Ю.В. Федорова физический предел проектных норм, ниже которого на материалах А3В5 невозможно функционирование транзисторной гетероструктуры, составляет около 20 нм. В 2015 году сотрудники ведущего концерна ВПК США – Northrop Grumman Corporation, сообщили [3] об освоении технологии изготовления на гетероструктурах А3В5 СВЧ МИС с проектными нормами 20 нм. Таким образом, уже в настоящее время фронт развития твёрдотельной СВЧ-электроники вплотную подошел к предельным размерам транзисторов на А3В5.

Поэтому в ГП «22-07» по направлению СВЧ МИС на гетероструктурах А3В5 необходимо предусмотреть только один, «догоняющий» этап создания и освоения оборудования, технологий и САПР: в 2016-2021 годы разработать и серийно освоить средства проектирования и изготовления СВЧ МИС с проектными нормами 22-20 нм, а в 2022-2025 годы уже разрабатывать и производить СВЧ МИС и микроэлектронные модули уровня СвК на их основе (Табл. 1).

Таблица 1
Материал Теоретический предел 2015г. 2018г. 2025г.
    Серия Эксперимент Серия Эксперимент Серия
Si, КНИ 4 - 3 нм
(ФТИ РАН)
16 – 14 нм 10 – 7 нм
(Samsung, Intel, TSMC)
14 – 10 нм 8 – 7 нм 8 – 7 нм
А3В5 20 нм
(ИСВЧ ПЭ РАН)
150 – 100 нм 32 – 20 нм
(Northrop Grumman)
70 – 50 нм 20 нм 20 нм

Требования к возможностям технологий:

При том, что область применений СБИС с максимально возможной степенью интеграции весьма широка, в ней есть два полюса: первый - высокопроизводительные вычисления, второй – интегрированные приём, обработка и передача сигналов при низком энергопотреблении. В области применений СВЧ МИС также есть два основных направления: приём и обработка слабых СВЧ-сигналов и передача (выдача в эфир) мощных СВЧ-сигналов. Поэтому в рамках ГП «22-07» необходимо разработать технологии, обеспечивающие изготовление:

  • цифровых СБИС на кремнии или на КНИ с максимально высоким быстродействием;
  • смешанных СБИС на кремнии или на КНИ с приёмным и/или передающим трактами (RF-тракты) и цифровой обработкой информации;
  • СВЧ МИС для СвК интегрированных малошумящих RF-приёмных трактов на А3В5 (предпочтительны гетероструктуры на основе GaAs и InP);
  • СВЧ МИС для СвК мощных RF-передающих трактов на А3В5 (предпочтительны гетероструктуры на основе GaN).

Требования к средствам проектирования и измерения характеристик:

Экспертные оценки (Ю.В. Федоров, ИСВЧПЭ РАН) и экспериментальные результаты работ научно-исследовательских подразделений Northrop Grumman [3,4] показывают, что при длине канала транзисторов 20 нм на материалах А3В5 возможно создание МИС малошумящих усилителей с рабочими частотами в диапазоне до 670-850 ГГц (НЕМТ GaAs на подложках InP) и усилителей мощности с рабочими частотами до 150-300 ГГц (НЕМТ GaN на подложках SiC).

Что же касается СБИС на кремнии или на КНИ, то экспертные оценки показывают, что такие СБИС с проектными нормами 22 - 20 нм могут иметь рабочие частоты 70-120 ГГц, а с проектными нормами 10-7 нм – 150-200 ГГц и более.

Отсюда следует, что в ГП «22-07» должны быть предусмотрены мероприятия по созданию отечественного программного обеспечения САПР для проектирования - схемотехнического и топологического, а также мероприятия по созданию средств измерения характеристик СБИС и СВЧ МИС с такими высокими рабочими частотами.

Требования к производительности технологических линий – минифабрик и диаметру обрабатываемых пластин:

По существу, именно эти характеристики технологической линии в первую очередь определяют и её стоимость, и стоимость её эксплуатации, которые тем меньше, чем меньше суммарная площадь пластин, обрабатываемых в единицу времени.

Ключевые решения, обеспечивающие создание экономичных технологических линий-минифабрик, таковы: бесшаблонная многолучевая электронная литография; обработка единичных пластин; обработка пластин малого диаметра; «разумная достаточность» производительности технологического оборудования; кластеризация смежных технологических операций в одном многооперационном модуле; транспортная связность многооперационных модулей через стандартные интерфейсы в кластерную технологическую линию, выполняющую запрограммированную последовательность технологических операций.

Минифабрика MINIMALFAB, создаваемая в Японии, обрабатывает пластины кремния диаметром 12,5 мм (1/2 дюйма), американский проект Protofab предполагает использование 50-мм пластин [2]. Отечественные минифабрики для предприятий ОПК должны иметь производительность, достаточную не только для прототипирования и изготовления единичных образцов ИС, но и их малых серий, необходимых для комплектации опытных и первых серийных образцов разрабатываемой РЭА. Оценим поэтому производительность таких минифабрик при диаметре пластин 50 мм и 100 мм и одном многолучевом электронном литографе (МЭЛ) в технологической линии.

Минифабрика для изготовления СБИС на кремнии или КНИ:

Примем размер типового чипа 10×10 мм, выход годных кристаллов 80%, выход годных на сборке 95%; технологический маршрут – наиболее сложный, для RF-приложений с достаточным числом уровней разведки, включает 45 литографий, длительность самой продолжительной технологической операции - электроннолучевого экспонирования одной пластины, составляет до 30 минут при диаметре пластины 100 мм или 8-9 мин при диаметре 50 мм.

При этих условиях минифабрика будет обрабатывать ежемесячно 28-32 пластины диаметром 100 мм или 100-120 пластин диаметром 50 мм. Ежемесячно она будет производить 1500-2000 шт. корпусных или бескорпусных (для СвК) СБИС.

Минифабрика для изготовления СВЧ МИС на гетероструктурах А3В5:

Примем размер типового чипа 2,5×2,5 мм, выход годных кристаллов 80%, выход годных на сборке 95%; технологический маршрут – наиболее сложный, включающий 12 литографий, длительность электроннолучевого экспонирования одной 100-мм пластины положим 30 минут, 50-мм – 8-9 минут.

При этих условиях минифабрика будет обрабатывать ежемесячно 100-120 пластин диаметром 100 мм или 400-480 пластин диаметром 50 мм. Ежемесячно она будет производить 90-110 тыс. шт. бескорпусных или корпусированных СВЧ МИС.

Если для четырёхканального приемопередающего модуля АФАР необходимо 12 шт. интегрированных СВЧ МИС, то минифабрика с вышеозначенными характеристиками будут ежемесячно производить СВЧ МИС для 30-36 тысяч приёмопередающих каналов, что достаточно для комплектования одной АФАР перспективного зенитного ракетного комплекса или 12-15 АФАР истребителей 4-5 поколения.

Если расчётные выше производительности минифабрик для каких-либо конкретных спецмикроэлектронных производств окажутся недостаточными, они могут быть удвоены - утроены и более введением в технологическую линию 2-го, 3-го и более МЭЛ при условии, что все прочие технологические операции выполняются быстрее электроннолучевого экспонирования обрабатываемой пластины.

Возможные сроки создания отечественных минифабрик.

Проведенное недавно изучение сегодняшних возможностей российских предприятий электронного машиностроения показало, что после разгрома 90-х годов в этом сообществе удалось и сохраниться, и развиваться, и возникнуть вновь немалому числу предприятий. Они, действуя без какой-либо существенной до сих пор господдержки, сумели сохранить и развить свой научно-производственный потенциал, создавая, производя и продавая - в том числе и на экспорт, вполне конкурентоспособное оборудование.

Для того, чтобы появились отечественные минифабрики, нет необходимости разрабатывать весь спектр технологического, аналитического и инженерного оборудования. Для этого нужно разработать отечественные образцы оборудования для ключевых технологических процессов, которое запрещено импортировать в Россию: литографы, имплантеры и плазменное оборудование. Мы полагаем, что российские предприятия вместе с предприятиями электронного машиностроения Республики Беларусь способны создать в течение 5-7 лет на основе бесшаблонной многолучевой электронной литографии технологические линии – минифабрики для опытного и серийного производства с проектными нормами 22-20 нм кристаллов СБИС на кремнии и КНИ и кристаллов СВЧ МИС на гетероструктурах GaAs и GaN/SiC [5]. Еще через 3-4 года могут быть созданы первые образцы технологических линий такого типа для технологий уровня 10-8 нм.

Очертания Госпрограммы «22-07»

Понятно, что сами по себе минифабрики не решат задачу импортонезависимого обеспечения предприятий ОПК перспективной ЭКБ.

Полноценная ГП «22-07» должна включать весь комплекс работ, результатом выполнения которых будет создание, изготовление и передача в эксплуатацию предприятиям ОПК – разработчикам аппаратуры и техническим ВУЗам:

  • программных и аппаратных средств САПР СБИС СнК с проектными нормами 22-20 нм и 10-7 нм, СВЧ МИС с проектными нормами 22-20 нм и микроэлектронных модулей СвК (включая 3D-конструкции);
  • технологических линий – минифабрик с производительностью 100 – 120 (50-мм) пластин/месяц для изготовления кристаллов СБИС с проектными нормами 22-20 нм и 10-7 нм;
  • технологических линий – минифабрик с производительностью 400 – 500 (50-мм) пластин/месяц для изготовления кристаллов СВЧ МИС с проектными нормами 22-20 нм;
  • многофункционального сборочного оборудования для сборки СБИС и СВЧ МИС с производительностью 50-100 шт/смена и микроэлектронных модулей СвК с производительностью 20-50 шт/смена;
  • контрольно-измерительного оборудования для измерения параметров СВЧ МИС, СБИС и микроэлектронных модулей с рабочими частотами до 70-250 ГГц.

Это обеспечит в 2025-2050 годы оперативную и малозатратную импортонезависимую разработку и изготовление макетных и опытных образцов и мелкосерийное производство широкой номенклатуры специализированных СБИС СнК, СВЧ МИС и микроэлектронных модулей СвК для импортонезависимой РЭА.

Для достижения полной импортонезависимости в ГП «22-07» должны быть также включены мероприятия по созданию технологий и организации производства особокачественных полупроводниковых пластин и основных расходных технологических материалов для изготовления на технологических линиях – минифабриках СБИС и СВЧ МИС с проектными нормами 22-20 нм и 10-7 нм.

Важнейшая задача, которая также должна быть решена в ходе выполнения программы, это создание в базовых технических ВУЗах проектных и технологических лабораторий и учебных курсов по подготовке научных и инженерных кадров разработчиков аппаратуры на основе собственных разработок микроэлектронных модулей на базе собственных же разработок специализированных СВЧ МИС и СБИС СнК. В настоящее время специалисты по вышеназванным направлениям микро- и радиоэлектроники российскими техническими ВУЗами, конечно же, готовятся, но уровень их знаний и умений должен быть существенно повышен до уровня, соответствующего технологиям с проектными нормами нанометрового диапазона 22-7 нм. Обеспечить это можно только оснастив базовые технические ВУЗы теми же средствами САПР, технологическим оборудование и КИО, которые будут создаваться по ГП «22-07».

Практически неограниченная интеграция, которая будет возможна в кремниевых СБИС, и новые частотные диапазоны, доступные твёрдотельной ЭКБ, позволят реализовать в одной микросхеме СнК и совместить в одном модуле СвК, например, все приемопередающие каналы миллиметрового диапазона АФАР АГСН, или АФАР сантиметрового диапазона аппаратуры РЭБ, или 32-64 приемопередающих канала подрешетки АФАР ЗРК сантиметрового диапазона с первичной обработкой и формированием радиосигналов в одном модуле СвК. Кардинальные изменения облика РЭА в результате использования возможностей новых наноэлектронных технологий и нового поколения ЭКБ творцам РЭА ещё предстоит долго осмысливать.

Выполнение в 2016-2025 годах ГП «22-07» решит ключевые проблемы отечественного аппаратуростроения:

  • первая – созданы отечественные технологическое оборудование, технологии, средства проектирования, специальные материалы, КИО и организована подготовка кадров, обеспечивающие переход отечественных радио- и микроэлектронных разработок и производств, начиная с 2022 г, к технологическому уровню 22-20 нм, а после 2025 г. к уровню 10-7 нм;
  • вторая - разрешено экономическое противоречие между микросерийными (единичными, штучными) потребностями разработчиков аппаратуры в специализированной твердотельной ЭКБ и массовым характером современного микроэлектронного производства;
  • третья – обеспечена технологическая независимость России в стратегически важной сфере твердотельной ЭКБ для ВВСТ по крайней мере до 2030-2035 годов, и тем самым обеспечена возможность создавать и производить в 2025-2050 годы перспективные радиоэлектронные системы военного, специального, а также гражданского назначения на отечественной элементной базе с характеристиками, не уступающие характеристикам элементной базы иностранного производства.

Актуальность ГП «22-07» несомненна: череда катастроф космической и авиационной техники и грядущие потери позиций на международном рынке вооружений как следствие все более увеличивающегося отставания и архаизации радиоэлектронного оснащения российского оружия в результате применения устаревающей импортозамещающей комплектации и проектно-технологической отсталости российских разработчиков аппаратуры.

Санкции, введенные в 2014 году по отношению к России со стороны США и стран НАТО, в области самообеспечения разработок и производства ВВСТ самой передовой твердотельной элементной базой могут и будут преодолены в результате успешного выполнения Госпрограммы «22-07». Более того, они должны стать катализатором развития отечественной микроэлектроники.

Источники информации:

  1. Немудров В.Г. и др. «Системы на кристаллах и системы в корпусе. Новые возможности для военной техники» / ж-л «Электроника: НТБ», №1/2014, стр. 144-150.
  2. Д. Боднар «Новый формат компактных кремниевых фабрик – решение для микроэлектроники России»/ ж-л «Электронные компоненты»/ №3/2015
  3. Deal W.R. «InP HEMT for sub-millimeter wave space applications: Status and challenges» - 39th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz), 14-19 Sept. 2014, pp. 1-3
  4. Jeffrey M.Yang et all «MmW / Sub-mmW Technologies and Applications», NGAS Research & Technology/ October 30, 2014
  5. Быков В.А. «Технологические комплексы наноэлектроники с использованием систем бесшаблонной литографии»/ Интеграл/ №3, 2013, стр. 18-24