Кое-кто из читателей вероятно знает, что переход на новый стандарт сулит немалое снижение стоимости чипов. При таком преимуществе использования более крупных пластин, причины затягивания перехода на новый стандарт кажутся не очевидными. Даже может показаться, что всё это не более чем глобальный заговор корпораций, стремящийся остановить прогресс для получения сверхприбылей, тогда как всего то и нужно, что купить новые станки. «Это же так просто!»- подумает обыватель.

Предлагаю снять шапочку из фольги и разобраться в проблемах, возникающих при масштабировании, и технических деталях производства кремниевых пластин. В этом материале перечислены лишь некоторые из них.

Инвестиции и окупаемость

Для начала разберёмся, зачем же вся эта канитель с увеличением размера пластин? Дело в том, что при увеличении пластины стоимость каждого чипа падает. Расчёты показывают, что при переходе с нынешних 300 мм на 450 мм в конечном итоге даст экономию около 30%. Приблизительно так же как произошло при переходе с 200 на 300 мм пластины.

Снижение цены производства чипа на 30% это действительно существенно. Но с пометкой, что это произойдёт далеко не сразу, так как первоначально стоимость новых пластин будет значительно выше. Стоимость кв. см 450 мм подложки сравняется с текущей ценой кв. см 300 мм подложки не раньше 2025. А на начало использования будет в 4–5 раз дороже.

Общие тенденции перехода таковы:

• 30–100% увеличение стоимости производственных площадей, тех. обслуживания и оборудования для автоматизации.
• 20–50% увеличение стоимости литографического оборудования.
• 10–30% снижение пропускной способности проецирующего оборудования. Для остального оборудования — без изменений.
• 15% снижение трудозатрат.
• 70% увеличение затрат на реактивы.

Затраты на инвестиции по оценкам могут дойти до 60 миллиардов долларов, и поэтому крупнейшим производителям воле-неволей приходится объединять свои усилия для перехода на новый стандарт. Окупаемость столь крупных инвестиций дело около 8 лет. По крайней мере R&D перехода с 200 на 300 мм пластины окупились приблизительно за такой срок.

Ну и где же тут экономия? Ответ не так прост.

Площадь кремниевой подложки увеличивается в целых 2.25 раза. Кроме того можно разместить даже больше чипов, так как в окружность с большим радиусом прямоугольники вписываются с большей эффективностью. Говоря по-простому, если рисовать круг квадратиками, то круг будет тем «круглее», чем он больше или квадратики меньше.

Возьмём к примеру ядро Tahiti XT с площадью 352 мм2, стоящего в основе видеокарт HD 7970. При условии что чипы квадратные, на 300 мм подложке удастся разместить около 160 чипов, а на 450 мм подложке уже 386 (см. рисунок ниже). Что в 2.41 раза больше. Разумеется прибавка будет варьироваться в зависимости от размеров чипа.

Из этого следует, что фабрика производственной мощностью 40–45 тыс. пластин способна выпустить столько же чипов, что и 300 мм фабрика мощностью 100 тыс. пластин. И как раз этот момент позволяет экономить! 450 мм фабрика на 40 тыс. пластин обойдётся на 25% дешевле, чем 300 мм фабрика на 100 тыс. пластин. Экономия происходит во многом за счёт литографического оборудования, стоимость которого не увеличится соизмеримо мощности, как было отмечено выше.

Но есть нюанс. При прочих перечисленных факторах увеличивающих стоимость производства, нынешняя стоимость литографического оборудования не скомпенсировала бы затраты, если бы оставалась неизменной. К счастью стоимость оборудования для каждого более продвинутого тех. процесса растёт, а с ней и выгода от перехода на больший диаметр пластин.

Технические трудности

Вес кристалла

Вес выращенного кристалла увеличивается в 3 раза, до одной тонны. Возникает проблема при вертикальном подвешивании кристалла за узкое горлышко, толщиной в несколько мм, при процессе выращивания. Затравочный кристалл сам по себе не сможет выдержать вес 450 мм кристалла. Нужен дополнительный способ поддержания кристалла.

Время выращивания

Любая внешняя вибрация (например землетрясение) способна вызвать изменение в пространственной решётке кристалла. Если такое происходит, кристалл приходится полностью переплавить и выращивание начинается с самого начала. Это отнимает значительное количество времени (до месяца) и тем самым увеличивает стоимость производства.

Так последствия землетрясения в Японии в 2011 году снизили мировой выпуск монокристаллов кремния на 24.5%. По сути выращиваемые кристаллы превратились в мусор. На перезапуск производства ушло больше месяца.

Кварцевые тигли

Кварцевые тигли для плавки поликристаллического кремния должны быть большими и должны выдерживать вдвое больше времени, требуемое для производства, чем используемые для выращивания 300 мм кристаллов. Если для выращивания 300 мм кристаллов используются тигли размером 81,3 см, то для 450 мм кристаллов необходимы тигли диаметром до 111 см. Чтобы выдерживать такое длительное время выращивания, качество тиглей также должно быть улучшено.

Охлаждение

Время на охлаждение может увеличиться до 4х раз.

Тепловое прошлое, во время производства кристалла, влияет на количество, размер и распределение дефектов в виде примесей. В отличие от смещений, такие дефекты обычно присутствуют. И хотя они не обязательно приводят к отбраковке кристалла, зато могут сказаться на работоспособности конечных чипов. Поэтому нужно точно контролировать процесс, чтобы минимизировать их появление. Из-за громадных размеров 450 мм кристалла, охлаждаться он будет медленнее, что подвергает его большему перепаду температур и влияет на появление дефектов. Для этого необходим инновационный процесс охлаждения.

Заключение

Суммируя, переход на 450 мм пластины это необходимость скомпенсировать всё увеличивающуюся стоимость литографического оборудования. Садиться на этот поезд очень дорого, но не сесть вовсе, значит поставить себя в невыгодное положение относительно конкурентов в долгосрочной перспективе. Помимо этого важно знать оптимальный момент для посадки.

Так что производителей можно легко понять, особенно принимая во внимание возможные риски, которые могут возникнуть на столь длительном отрезке времени. Это может быть всё, начиная с глобальных экономических проблем, заканчивая тем, что могут появиться более перспективные технологии ещё до того, как инвестиции окупятся.

Да, кстати, если вы ещё не поняли, для нас, потребителей, переход не отразится в снижении стоимости процессоров, GPU и памяти. По крайней мере не в этом десятилетии.

Источники:

• http://www.sumcosi.com/…problem.html
• A Simulation Study of 450mm Wafer Fabrication Costs
• Economic Analysis of 450mm Wafer Migration
• Reaping the Benefits of the 450mm Transition
• Indistinguishable From Magic: Manufacturing Modern Computer Chips
• www.silicon-edge.co.uk/j/index.php?…