Завод по производству интегральных схем

Введение

Завод по производству интегральных схем. В микроэлектронной промышленности завод по изготовлению полупроводников (обычно называемый фаб; иногда литейный завод) – это предприятие для производства полупроводниковых приборов. Фабам требуется множество дорогостоящего оборудования для функционирования. По оценкам, стоимость строительства нового фаба превышает один миллиард долларов США, при этом стоимость в 3–4 миллиарда долларов США встречается нередко. TSMC инвестировала 9,3 миллиарда долларов в свой завод по производству 300-мм кремниевых пластин Fab15 на Тайване. По оценкам той же компании, их будущий фаб может стоить 20 миллиардов долларов. В 1990-х годах появилась модель литейного производства: литейные заводы, которые разрабатывали и производили собственные изделия, назывались производителями интегрированных устройств (IDM). Компании, передававшие производство своих разработок на литейные заводы, назывались компаниями, не имеющими собственного производства (fabless). Те литейные заводы, которые не разрабатывали собственные изделия, назывались специализированными литейными заводами полупроводников. Центральной частью фаба является чистый цех – помещение, в котором контролируется окружающая среда для устранения любой пыли, поскольку даже одна пылинка может испортить микросхему с наноразмерными элементами, значительно меньшими, чем частицы пыли. Чистый цех также должен быть защищен от вибраций для обеспечения нанометровой точности выравнивания оборудования и поддерживать узкие диапазоны температуры и влажности. Контроль вибрации может достигаться с помощью глубоких свай в фундаменте чистого цеха, закрепляющих его на скальном основании, тщательного выбора строительной площадки и/или использования виброгасителей. Контроль температуры и влажности критически важен для минимизации статического электричества. Источники коронного разряда также могут использоваться для снижения статического электричества. Часто фаб строится следующим образом (сверху вниз): крыша, которая может содержать оборудование для обработки воздуха, забирающее, очищающее и охлаждающее наружный воздух, воздушный планоход для распределения воздуха к нескольким напольным блокам фильтров и вентиляторов, которые также являются частью потолка чистого цеха, сам чистый цех, который может иметь один или несколько этажей, обратный воздушный планоход, чистый подфаб, который может содержать вспомогательное оборудование для машин в чистом цехе, такое как системы подачи химических веществ, очистки, переработки и утилизации, и первый этаж, который может содержать электрооборудование. Фабы также часто имеют офисные помещения. В чистом цехе происходит все производство и находится оборудование для изготовления интегральных схем, такое как степперы и/или сканеры для фотолитографии, а также оборудование для травления, очистки, легирования и разделения пластин. Все эти устройства чрезвычайно точны и, следовательно, чрезвычайно дороги. Цены на наиболее распространенные единицы оборудования для обработки 300-мм пластин варьируются от 700 000 до более 4 000 000 долларов за штуку, при этом некоторые единицы оборудования достигают 340 000 000 долларов за штуку (например, EUV-сканеры). Типичный фаб будет оснащен несколькими сотнями единиц оборудования.

Factory where integrated circuits are manufactured

In the microelectronics industry, a semiconductor fabrication plant (commonly called a fab; sometimes foundry) is a factory for semiconductor device fabrication. Fabs require many expensive devices to function. Estimates put the cost of building a new fab at over one billion U. S. dollars with values as high as $3–4 billion not being uncommon. TSMC invested $9.3 billion in its Fab15 300 mm wafer manufacturing facility in Taiwan. The same company estimations suggest that their future fab might cost $20 billion. A foundry model emerged in the 1990s: Foundries that produced their own designs were known as integrated device manufacturers (IDMs). Companies that farmed out manufacturing of their designs to foundries were termed fabless semiconductor companies. Those foundries, which did not create their own designs, were called pure play semiconductor foundries. The central part of a fab is the clean room, an area where the environment is controlled to eliminate all dust, since even a single speck can ruin a microcircuit, which has nanoscale features much smaller than dust particles. The clean room must also be damped against vibration to enable nanometer scale alignment of machines and must be kept within narrow bands of temperature and humidity. Vibration control may be achieved by using deep piles in the cleanroom's foundation that anchor the cleanroom to the bedrock, careful selection of the construction site, and/or using vibration dampers. Controlling temperature and humidity is critical for minimizing static electricity. Corona discharge sources can also be used to reduce static electricity. Often, a fab will be constructed in the following manner (from top to bottom): the roof, which may contain air handling equipment that draws, purifies and cools outside air, an air plenum for distributing the air to several floor mounted fan filter units, which are also part of the cleanroom's ceiling, the cleanroom itself, which may or may not have more than one story, a return air plenum, the clean subfab that may contain support equipment for the machines in the cleanroom such as chemical delivery, purification, recycling and destruction systems, and the ground floor, that may contain electrical equipment. Fabs also often have some office space. The clean room is where all fabrication takes place and contains the machinery for integrated circuit production such as steppers and/or scanners for photolithography, in addition to etching, cleaning, doping and dicing machines. All these devices are extremely precise and thus extremely expensive. Prices for most common pieces of equipment for the processing of 300 mm wafers range from $700,000 to upwards of $4,000,000 each with a few pieces of equipment reaching as high as $340,000,000 each (e. g. EUV scanners). A typical fab will have several hundred equipment items.

История

Обычно прогресс в технологии производства чипов требует строительства совершенно нового завода. В прошлом оборудование для оснащения завода не было очень дорогим, и существовало огромное количество небольших фабрик, производящих чипы малыми партиями. Однако стоимость самого современного оборудования с тех пор возросла настолько, что строительство нового завода может стоить несколько миллиардов долларов. Другим побочным эффектом высокой стоимости стала проблема использования старых заводов. Для многих компаний эти старые заводы полезны для производства изделий для специализированных рынков, таких как встроенные процессоры, флэш-память и микроконтроллеры. Однако для компаний с более узкой номенклатурой продукции часто выгоднее либо сдавать завод в аренду, либо полностью закрыть его. Это связано с тем, что стоимость модернизации существующего завода для производства устройств, требующих более новых технологий, зачастую превышает стоимость строительства совершенно нового завода. Наблюдается тенденция к производству все более крупных пластин, поэтому каждый этап технологического процесса выполняется одновременно на все большем количестве чипов. Цель состоит в том, чтобы распределить производственные затраты (химикаты, время работы завода) на большее количество пригодных к продаже чипов. Модернизация оборудования для работы с пластинами большего размера невозможна (или, по крайней мере, непрактична). Это не означает, что заводы, использующие пластины меньшего размера, обязательно устарели; старые заводы могут быть дешевле в эксплуатации, обеспечивать более высокий выход годных чипов для простых схем и оставаться продуктивными. Отрасль стремилась перейти от современного размера пластин 300 мм (12 дюймов) к 450 мм к 2018 году. В марте 2014 года компания Intel ожидала внедрения 450 мм к 2020 году. Но в 2016 году соответствующие совместные исследовательские работы были прекращены. Кроме того, прилагаются значительные усилия для полной автоматизации производства полупроводниковых чипов от начала до конца. Это часто называют концепцией "фабрики без персонала". Международная производственная инициатива Sematech (ISMI), являющаяся продолжением американского консорциума SEMATECH, спонсирует инициативу "300 мм Prime". Важной целью этой инициативы является обеспечение возможности для заводов производить большее количество чипов меньшего размера в ответ на сокращение жизненного цикла, наблюдаемое в потребительской электронике. Логика заключается в том, что такой завод может легче производить небольшие партии и эффективно перенастраивать производство для поставки чипов для различных новых электронных устройств. Другая важная цель – сократить время ожидания между этапами обработки.

Typically an advance in chip making technology requires a completely new fab to be built. In the past, the equipment to outfit a fab was not very expensive and there were a huge number of smaller fabs producing chips in small quantities. However, the cost of the most up to date equipment has since grown to the point where a new fab can cost several billion dollars. Another side effect of the cost has been the challenge to make use of older fabs. For many companies these older fabs are useful for producing designs for unique markets, such as embedded processors, flash memory, and microcontrollers. However, for companies with more limited product lines, it is often best to either rent out the fab, or close it entirely. This is due to the tendency of the cost of upgrading an existing fab to produce devices requiring newer technology to exceed the cost of a completely new fab. There has been a trend to produce ever larger wafers, so each process step is being performed on more and more chips at once. The goal is to spread production costs (chemicals, fab time) over a larger number of saleable chips. It is impossible (or at least impracticable) to retrofit machinery to handle larger wafers. This is not to say that foundries using smaller wafers are necessarily obsolete; older foundries can be cheaper to operate, have higher yields for simple chips and still be productive. The industry was aiming to move from the state of the art wafer size 300 mm (12 in) to 450 mm by 2018. In March 2014, Intel expected 450 mm deployment by 2020. But in 2016, corresponding joint research efforts were stopped. Additionally, there is a large push to completely automate the production of semiconductor chips from beginning to end. This is often referred to as the "lights out fab" concept. The International Sematech Manufacturing Initiative (ISMI), an extension of the US consortium SEMATECH, is sponsoring the "300 mm Prime" initiative. An important goal of this initiative is to enable fabs to produce greater quantities of smaller chips as a response to shorter lifecycles seen in consumer electronics. The logic is that such a fab can produce smaller lots more easily and can efficiently switch its production to supply chips for a variety of new electronic devices. Another important goal is to reduce the waiting time between processing steps.