«Прорывные» процессы в микроэлектронике

Сделан аналитический обзор закона накопления информации обществом. Рассмотрен вопрос: откуда человечество берет информацию? Показано что характеристический размер в ИС является основным при изменении таких характеристик как интеграция и удельная себестоимость.

Потеря конкурентоспособности ИС на глобальном рынке связана с дефектами, которые препятствуют росту интеграции. Рассмотрена модель выхода годных, из которой следует зависимость этой величины от уровня технологии изготовления ИС. Для повышения интеграции необходим эффективный “прорывный” процесс. “Прорывные” процессы следуют друг за другом как только возникает необходимость роста интеграции. На “прорывные” процессы требуется особые затраты, которые вносятся единоразово. Экономический эффект определяется - суммой изменений всех показателей качества за вычетом изменений стоимостей эксплуатации и изготовления. Методом экспертных оценок показатели качества переводятся в денежные единицы и определяется цена изменение цены, как разности стоимость разрабатываемого варианта и стоимости существующего аналога.

Характерной закономерностью развития общества – является закон накопления информации. Обозначим количество информации Q и рассматривая ее изменения во времени получим = kQ (1). Равенство обозначает пропорциональную связь скорости накопления новой информации и информации уже имеющейся в настоящее время Q. Закон эволюционного накопления информации описывается экспонентой Q = Q₀ exp kτ[1]. Такая зависимость прослеживается со времен становления и развития полиграфии при изучении количества информации, заключенного в официальных изданиях [2].

Как же накапливается и перерабатывается информация человеком в настоящее время?

В области цифровой техники таким инструментом является компьютер, проходящий все ступени совершенствования, наполнения ИС, постоянно меняющими свою интеграцию (ИС, БИС, СБИС, система на кристалле). Непосредственно в переработке и накоплении информации участвуют интегральные схемы. Прогресс сопровождается изменением таких характеристик ИС, как работа на единицу информации (удельная характеристика) – А, время переключения - τ. Конструктивным фактором, определяющим степень развития ИС, является минимальный топологический размер (например, затвор полевого транзистора). На (Рис. 1)

показана ключевая зависимость от характеристического размера по годам. Все остальные размеры меняются слабо. В статье [1] показано, что удельная стоимость так же зависит от этого размера С_из =ƒ(а). Таким образом, параметр а, названый характеристическим, определяет все эволюционные изменения ИС. Что же касается таких параметров, как

удельная работа затраченная на один бит информации А и время переключения τ, то и здесь определяющая роль принадлежит характеристическому размеру а. Действительно характеристика А пропорциональна переключаемому заряду и таким образом объему активной области прибора. Быстродействие t= a²/μu,где μ – подвижность носителей, а u – приложенное напряжение между истоком и стоком. Следовательно, все характеристики ИС эволюционно изменяются с уменьшением характеристического минимального размера.

Толчок к изменениям интеграции ИС дает потеря их конкурентоспособности на глобальном рынке. Для восстановления конкурентоспособности необходим “прорывный процесс” [3].

Как же меняются характеристики, увеличивающие эффективность техпроцесса изготовления микросхем? Известно, что с ростом интеграции меняется коэффициент выхода годных. Он падает с уменьшением характеристического размера кристалла, если технология не изменяется. Причиной такого поведения становится дефекты. Адекватной моделью для прогнозирования ограничения дефектностью выхода годных является кластерная модель выхода годных. Приближенное выражение для среднего значения выхода годных Ў

S – поражаемая площадь кристалла, которая образованна элементами, имеющими критический размер, α и b технологические константы. Параметр α – безразмерный параметр называющийся коэффициентом кластеризации. Параметр b имеет размерность площади, он может быть назван показателем бездефектной площади. Уровень дефектности технологии (число дефектов на единицу площади) определяется отношением . Выход годных в зависимости от площади определяется числом дефектов на единицу площади. Чем больше дефектов на единицу площади тем меньше выход годных (рис. 2). Увеличение степени дефектности влияет так же на характеристику себестоимости в зависимости от поражаемой площади (Рис. 3). Чем ниже степень дефектности тем меньше себестоимость. Таким образом (Рис. 2) и (Рис.3) показывают, что выход годных и себестоимость кристаллов в производстве сильно зависят от уровня технологий. Эта зависимость становится более очевидной с увеличением поражаемой площади.

Плотность распределения выхода годных Y от пластины к пластине оцениваются следующим выражением:

[1]

При увеличении площади кристалла кривая плотности вероятности сдвигается в область более низкого выхода годных (см рис. 4 и рис. 5). Представленные графики позволяют

наглядно отделить убыточную продукцию от прибыльной. Точка А на рисунке 5 соответствует выходу годных, при котором себестоимость пластины сравнивается со стоимостью, по которой она может быть реализована на рынке, область левее точки А соответствует убыточной продукции. При увеличении площади кристалла доля убыточной продукции растет, если уровень технологии не улучшается. Необходимо улучшение технологии, что бы продукция осталась с тем же значением выхода годных. Предельно достижимый уровень технологии, который соответствует ситуации, когда удельная себестоимость продукции сравнивается с ее возможной себестоимостью на рынке. Производство изделий более высокого уровня будет оставаться экономически убыточным, пока не будет снижен уровень дефектности технологии. Для того чтобы повысить интеграцию продукции необходимо понизить уровень дефективность технологии. То есть необходим «прорывный» процесс. На практике на снижение дефективности на пластине влияют аэрозольные частицы до определенного размера, определяя выход годных. В дальнейшем дефекты будут иметь различную природу, обусловленную различными техническими воздействиями. Для наступления “прорывного процесса” необходимы следующие действия:

- на глобальном рынке микросхема теряет свою конкурентоспособность,

- восстановление конкурентоспособности однозначно следует в связи с ее повышением интеграции,

- для повышения интеграции требуется технологические усилия, заключающиеся в смене оборудования, обучении персонала новым профессиям, и применении новых материалов,

- индикатором наступления нового достаточного для изготовления новых изделий служит уменьшенная степень дефектности техпроцесса.

Выполнение всех перечисленных условий дает право считать процесс “прорывным”.

С чем связанна необходимость применения нового «прорывного» процесса? Процесс совершенствования технологии проходит непрерывно. “Прорывные” процессы следуют друг за другом (см табл.1). Для достижения топологических норм 0,5 мкм потребовалось автоматизировать транспортные линии, позволяющие перемещать материальные потоки: контейнеры с пластинами, хим. реактивы – по технологическому маршруту производства микросхем. При проектировании схем с топологическими нормами 0,35 мкм было применено кластерное оборудование и пыленепроницаемые контейнеры, которые позволили обрабатывать пластины без выхода на воздух (сразу выполнять несколько операций технологического процесса от литографии до литографии). Последнее объясняет перестройку производства. До этого применяющийся участковый принцип был заменен на микроцикловой. Пришлось отказаться от групповой обработки пластин (несколько пластин одновременно обрабатываются на каждой операции технологического процесса) в пользу индивидуальной (несколько операций обработки на каждую пластину).

Таблица 1

Тенденции эволюции микропроцессоров в ЭУ

Дальнейшее уменьшение характеристического размера достигнуто дальнейшим сокращением плотности повреждающих дефектов. Число дефектов и следовательно их плотность постоянно уменьшается. Поэтому следующие циклы начиная от потери конкурентоспособности, ее восстановление увеличением интеграции, параллельным совершенствованием технологического процесса, повторяется. Действия по всем операциям этого цикла осуществляется в соответствии с изменяющимися размерами ИС кроме одного – меняется природа повреждающих дефектов. На первых этапах эволюционного развития это аэрозольные частицы, на последующих этапах другие дефекты технологического процесса. Один цикл следует за другим. Последовательно происходит смена топологических норм проектирования за 0,35 следует, 0,25 далее, 0,13 и 0,065 мкм. Каждая смена топологических норм – это “прорывный” процесс включающий этап совершенствования технологий. На организацию “прорывного” процесса требуются затраты, отличные от затрат на типовой технический процесс. Это затраты на новое оборудование, новые материалы, на специалистов новых квалификаций требующихся в новом процессе. Эти затраты необходимо вносить одиноразово на весь процесс. Окупаемость процесса будет тогда, когда первые микросхемы с новой интеграцией, а следовательно и новым качеством, будут по новой цене продаваться на глобальном рынке. Эффект будет получен за счет того, что на площади, которая соответствовала старой интеграции разместилось, при уменьшенных топологических нормах большее число транзисторов. В конечном итоге происходит изменение всех характеристик в результате которых будет получен экономический эффект, выраженный физическими и экономическими показателями [3]:

– ΔС_экс – ΔС_изг,

- сумма изменений всех показателей качества. Указанная сумма дается в переводе с характеристик определяемых согласно их физической природе, ΔС_экс ; ΔС_изг – соответственно стоимость эксплуатации и стоимость изготовления.

Можно ли показатели качества перевести в денежные единицы?

Из теории ценообразования на продукцию следует, что её качество является фактором второго уровня по степени влияния [4]. Оно будет однозначно влиять, когда остальные факторы в том числе факторы первого уровня будут неизменными (рис. 6). Это возможно в небольшой период времени. В качестве доказательства приводится зависимость рыночной цены на процесс двух разных фирм Intel и AMD от одной характеристики качества – тактовой частоты определяющей быстродействие процесса. Данные получены для двух отрезков времени до и после 15 октября 2000 г. Таким образом, опыт реализации на рынок продукции фирм Intel и AMD дает основание считать связь рыночной цены и качества на определенном отрезке времени [5]. Однако, параметр этой связи (коэффициент пропорциональности) меняет свое значение под воздействием других факторов. На (рис. 6) получена экспериментальная зависимость цены плазмохимического оборудования (ПХО), используемого в технологических процессах изготовления СБИС, от обобщенного показателя качества, выраженного в балах.

Полученные точки указывают на тенденцию роста цены за более высокое качество оборудования. Отсутствие четкой зависимости между обобщенным показателем качества и ценой изделия может быть обусловлено многоликостью этого показателя. Потребитель имеет дело с конкретными характеристиками ПХО, которые приближенно отражаются в сознании экспертов, определяющих весовые коэффициенты каждого показателя (технологические данные, безотказность, производительность, ремонтопригодность).

Для определения ΔЦ можно применить бальный метод.

Определен полный суммарный эффект от оценки всех технических решений по изготовлению изделий выраженный единым экономическим показателем:

Э = ΔЦ – ΔС_экс – ΔС_изг,

где ΔЦ - это повышение цены за счет приращения качества ИС, ΔС_экспл -изменение стоимости эксплуатации ,ΔС_изг - изменение стоимости изготовления.

Суть метода состоит, в том, что на основе экспертных оценок зависимости параметров изделия для потребителей каждому параметру придается определенное число баллов, суммирование которых дает интегральную оценку конкурентоспособности изделия по соответствующим параметрам. Умножение суммы балов, по новому разработанному варианту, на стоимостную оценку одного балла изделия аналога применяется цена нового изделия,

Ц_р= Ц_а * К_{обобщ_р}/ К_{обобщ_а,}

где Цр – цена разрабатываемого варианта ИС, Ц_а –цена кристалла аналога ИС, К_{обобщ_р} - обобщенный показатель качества разрабатываемой ИС, К_{обобщ_а} - обобщенный показатель качества аналога ИС. Повышение цены за счет приращения качества: ΔЦ = Ц_р – Ц_а , позволяет получить эффект в денежных единицах.

Новая схема с меньшими топологическими размерами элементов, должна быть дороже старой, изготовленной по старым нормам, за счет более высокой интеграции и параметров качества.

Литература:

1. Принципы микроэлектроники. Часть 1. Учебное пособие / Р. П. Сецсян. Ленинградский: гос. тех. унив. СПБ, 1991 -110с.

2. В.В. Налимов. Наукометрия М. Наука 1969.

3. Ю.И. Богданов, В.В. Минаев, Н.А. Куварзин, А.А. Романов. Управление выходом годных и экономическая эффективность полупроводникового производства (доклад конференции ОАО Ангстрем 25-30 1998 г.).

4. А.А. Коротков. Оптимизация теплонапряженной конструкции функционального узла. Автореферат на соискание ученой степени, КТН

5. Шахнович. Микропроцессоры. Кто обгонит Intel / электроника, наука, технология, бизнес. 2001 вып 3.