Выпуск мелкосерийных микросхем теперь не проблема.

[RomanSR]

14.01.11 08:23

Источник: Cnews (http://rnd.cnews.ru/army/news/line/index_science.shtml?2011/01/13/423175)
Коммерческие микрочипы в цифровых камерах, автомобилях, электронных приборах стоят дешево, но когда речь идет о специализированном оборудовании, стоимость электроники достигает астрономических величин. Так, огромная разница между стоимостью коммерческой электроники и военных эквивалентов вынуждает военных полагаться на имеющееся в продаже коммерческое оборудование, что приводит к болезненному поиску компромисса в области цены, надежности и производительности. Решить эту проблему должна новейшая технология создания специализированных интегральных микросхем, разработанная оборонным агентством DARPA.

http://filearchive.cnews.ru/img/reviews/2011/01/13/4_e6966.jpg
Схема устройства Nanowriter. Иллюстрация взята с сайта http://rnd.cnews.ru

Главным фактором роста цены на военную электронику является использование в малосерийном производстве технологий масштабного промышленного изготовления микросхем. Сегодня интегральные схемы производятся с помощью сложных литографических технологий на протяжении более недели. Процесс включает изготовление фотошаблона будущего чипа, который помещается между источником ультрафиолетового излучения и кремниевой пластиной.
"После перехода к интегральным схемам размером меньше 65 нанометров, расходы на эти фотошаблоны стали ключевым фактором роста цены мелкосерийного производства нескольких пластин,- объясняет руководитель программы DARPA Джозеф Мангано (Joseph Mangano). – Наш новый инструмент Nanowriter сможет избавить от необходимости изготавливать дорогостоящие наборы фотошаблонов и дешево печатать даже по одной пластине. При этом цена одиночной микросхемы будет сравнима со стоимостью крупносерийного чипа".
Новый высокопроизводительный инструмент Nanowriter имеет высокую пропускную способность благодаря одновременному развертыванию 1 млн параллельных электронных лучей. Устройство в 100 раз быстрее современных инструментов, ориентировано на 45-нм литографию, масштабируется до 32 нм и меньше. В случае успеха программы разработки Nanowriter экономическая эффективность мелкосерийного производства специализированных интегральных микросхем и микроэлектромеханических систем существенно повысится.
Недавно программа преодолела две важные вехи: продемонстрировала массив микролинз, формирующих пучок в 1 млн электронных лучей, и второе поколение устройства, повышающего точность печати.

http://www.warandpeace.ru/ru/news/view/54503/

[Zorge]

А вот это уже похоже на заявку на прорыв.
В то время, как конкуренты будут заниматься фотолитографией, обладатели такого приборчика смогут быстренько напроектировать любые количества любых микросхем.

Ведь почему разработка новых микросхем такая дорогая? Да все из-за той же фотолитографии, будь она неладна. Ну и из-за низкой точности и производительности подобных приборов для штучного изготовления. Из-за нее нормальная отладка микросхемы выливается в очень большие деньги. Внедрение ее в производство с высоким выходом годных чипов - еще бОльшие.

А миллион лучей за раз - это очень сильно. Если на формирование одного транзистора будет уходить, скажем 90 секунд, то за 90 секунд можно 90 миллионов транзисторов нарисовать. Ну это в грубом приближении конечно - просто выделять одинаковые участки и их рисовать (вспоминаем фотонаборную технологию экспозиции печатных плат - там тоже одинаковые шаблоны мультилинзами множили).
Если учесть, что современные микросхемы и миллиард транзисторов могут содержать, и два - то ускорение будет не просто количественным, а качественным - прибором с числом лучей от 1 до 100 можно рисовать топологию вплоть до выхода новой у конкурентов.
А вот с миллионом - за пару суток пилотный экземпляр наклепать и/или исправить - не вопрос.

Да и не пилотный - если серия микросхем, скажем штук 100 - можно прямо на этом нанописаре шлёпать.
С фотошаблонами для крупносерийного производства этот аппарат тоже, думаю, справится очень хорошо.

Наконец, с таким прибором можно не задачу под машину подгонять будет, а машину под задачу, как в старые добрые времена транзисторной техники. Только на гораздо более высоком техническом уровне. Что при использовании в военных целях выливается в совершенно другие темпы развития систем связи, управления вооружениями и т.д. и т.п.

Американцы молодцы. :bravo:

P.S. К этому нанописарю еще бы наносканер - и можно было бы рисовать на пластинах с учетом их дефектов, что серьезно повысит выход годных чипов, особенно крупных размеров.

[CoolSV]

Ну, как говорится, будем посмотреть, что это такое.
Честно говоря, я так и не понял в чём у этого метода принципиальное отличие от уже имеющихся технологий.
Судя по рисунку это тот же самый оптический метод, вариаций которого на заре развития литографии была туева хуча. Уж чем только не светили, вплоть до рентгеновского излучения, но до промышленного производства дошло то что дошло.
Вообщем информации слишком мало, чтобы хоть как-то оценить полезность данного "изобретения".

Ведь почему разработка новых микросхем такая дорогая? Да все из-за той же фотолитографии, будь она неладна
А мужики то не знают!
Я то думал, что стоимость РАЗРАБОТКИ (а не производства) микросхемы зависит от сложности изделия и количества функциональных блоков, которые это изделие в себя включает. Ан нет!
Так же разработка изделия по нанометновым технологическим нормами усложняется ещё и уменьшившимися размерами элементов. В этом случае уже приходится учитывать многие вещи, которыми при проектировании схем с большими транзисторами можно пренебречь. Соответственно чтобы эти параметры у реальных транзисторов определить, требуется на порядок более сложное измерительное оборудование.
А так да, при изготовлении тестовых образцов фотошаблон вносит весьма существенный вклад в стоимость запуска изделия в производство, потому как изделие от момента разработки до готовой микросхемы проходит минимум 3 итерации. И после каждой обычно вносятся некоторые изменения с заменой не обязательно всех, но как минимум некоторых фотошаблонов.
Как обойтись без фотошаблонов, я из этой статьи так и не понял.

Если на формирование одного транзистора будет уходить, скажем 90 секунд, то за 90 секунд можно 90 миллионов транзисторов нарисовать.
У вас очень далёкое от реальности понимание о том как формируется транзистор. Вроде бы чего там, полевой транзистор: сток затвор и исток. Но по современным технологиям для его формирования нужно порядка 32 операций фотолитографии, ну и плюс 5-7 литографий для металла. Т. е. это 32 раза надо нарисовать что-то очень чётко и очень точно, так чтобы 32 слой был точно, так же сориентирован как и первый. При нанометровых точностях малейшая нечёткость(несведение лучей во время засветки), либо смещение области засветки - это брак. Причём на любой из 32 операций. Просто так взять, и нарисовать за один раз транзистор не получится, потому как на монокремнии нужно создать и достаточно сложный рельеф, и внедрить в нужные области примесь, причём строго определённой конценрации и на нужную глубину для создания n и p областей проводимости.
Поэтому главные критерии для этой операции - это одинаковая чёткость изображения по всей поверхности пластины и точность совмещения с предыдущими слоями. То что людям удалось один раз какое-то изображение получить на монокремнии это пока что вообще ни о чём.

Если учесть, что современные микросхемы и миллиард транзисторов могут содержать, и два - то ускорение будет не просто количественным, а качественным - прибором с числом лучей от 1 до 100 можно рисовать топологию вплоть до выхода новой у конкурентов.
Опять же, какие современные микросхемы содержат миллиард транзисторов? Назовите ка что-нибудь шибко многотранзисторное кроме процессоров и памяти? Даже по технологии полмикрона можно сделать львиную долю всех остальных устройств. И они будут ни чуть не менее современными если не нужно мега быстродействие в гигагерцы.
Далее. Количество операций фотолитографии практически не зависит от количества транзисторов на кристалле. Основной вклад в количество операций литографии вносит количество разновидностей и типов транзисторов применяемых в конкретной схеме. К примеру в устройствах флэш памяти применяется транзистор с плавающим затвором, который будет ощутимо сложней обычных. Плюс, чем меньше размер элементов, тем более сложные меры требуются по устранению различных паразитных эффектов, что тоже отражается на количестве фотолитографий. Если мы откажемся от фотолитографии, то рисовать меньше не получится. Нужно будет нарисовать то же самое. Плюс, скорее всего разработать новую технологию производства микросхем, и адаптировать все остальные процессы под эту технологию. И возможный выигрыш в цене фотошаблонов окажется цветочками по сравнению с ценой разработки новой технологии, и нового технологического оборудования, хотя бы как минимум для замены фотолитографии, а то и новые фоторезисты понадобятся, новые химические процессы нужно будет разработать и т. д. Может очень много чего потребоваться. Единственный вариант, когда новая технология сможет победить предыдущую, это только если она сможет вписаться в уже имеющиеся технологии, без какого либо существенного изменения техпроцесса. А гимор я тут уже вижу. Современные фоторезисты рассчитаны на засветку ультафиолетом. Соответственно и химические процессы и процессы травления, и легирования рассчитаны на эти фоторезисты. Непонятно как они собираются засвечивать фоторезист - формировать на нём рисунок. Если фоторезист придётся менять, на какой-то другой с другими свойствами, то менять придётся очень много всего остального, практически заново разрабатывать всё технологию. И потом заново получать новые транзисторы и измерять все их параметры. На это никто не пойдёт.

А вот с миллионом - за пару суток пилотный экземпляр наклепать и/или исправить - не вопрос.Ну народ то только не смешите! Если у вас микросхема не работает, то найти причину неисправности будет одинаково сложно и у микросхемы с 1000 транзисторов и у микросхемы с 1000000 транзисторов. Здесь более важные вещи это культура разработки. Т. е. ещё при разработке закладываются тестовые структуры и точки для измерений, позволяющие легко протестировать все блоки микросхемы. При хороших моделях транзисторов и если разработчики разрабатывают грамотно и сразу думают о том как тестировать будущую микросхему, да ещё и имеют опыт проектирования похожих устройств, и у них в заначке полно готовых, и работающих функциональных блоков, то микросхема начинает работать практически сразу, и изменения незначительны. А вот если люди с нуля начинают велосипед изобретать, да ещё и неграмотно... вот тогда да, тогда очень дорого разработка выйти может.

P.S. К этому нанописарю еще бы наносканер - и можно было бы рисовать на пластинах с учетом их дефектов, что серьезно повысит выход годных чипов, особенно крупных размеров.Опять же глупость. Дефекты на пластине возникают практически после каждой операции и предсказать, где они появятся невозможно. А операций примерно 3-4 тыщи. На лучших фабриках требуется месяца полтора, чтобы пластина прошла весь цикл.
При этом выход годных получается свыше 90%. Вам этого мало что ли? Для мелкосерийных микросхем выход годных вообще мало важен. Если все микросхемы которые понадобятся умещаются на одной пластине, то выход годных даже 20% это не плохо. Запускаешь с запасом, и получаешь то количество микросхем, которое надо, даже с учётом 80% брака. Если больше их никогда не понадобится, то по большому счёту непринципиально сколько делать 2 пластины, 20, или 50.

[Zorge]

CoolSV, ну вот. Взял и расстроил специалиста.
Да, я знаю что транзистор формируется за много-много операций.
Да, я знаю, что основная цена разработки микросхемы - это именно стоимость проекта. Просто не стал писать много умных букв. :)

Но проект такой дорогой именно из-за дороговизны отладки - слишком высока цена ошибки, равная цене дорогого фотошаблона. Когда у разработчика появится возможность каждую интересную мысль по технологии проверять на практике, когда он на собственных шишках видеть на практике "почему оно нихт фунциклирен" - это будет и разработчику в плюс к профессиональному росту, и к отладке минус в цене. Любой программист знает, что вносиить правки в программу проще и удобнее по одной - так и не запутаешься и точно знаешь что повлияло на результат.
Готовые блоки - оно, конечно, хорошо. Но часто приводят к абсурду - "мы не можем использовать все возможности новой технологии, потому что в готовых блоках полно костылей от технологии старой, когда они еще были нужны".

Именно возможность обойтись вообще без фотошаблона - основной посыл статьи и преимущество аппарата. Рисуем прямо по фоторезисту. По такому же точно фоторезисту, как у всех.

Если грамотно подойти к координирующему весь этот аппарат софту - можно и миллион одинаковых участков на разных микросхемах (и все это на одной пластине) рисовать.
В итоге можно на одной и той же пластине спокойно делать несколько тестовых версий одной и той же микросхемы. Причем сегодня мы тестируем одно расположение микросхем, а завтра другое - в целях оптимизации занимаемого места, например, причем с учетом всех этих десятков и сотен итераций фотолитографии.

Кстати, о CCD-матрицах, а заодно и всякой разной памяти - это же регулярные структуры. Значит 40-50 проходов такого аппарата - и готов мегапиксель фотодиодов. Еще пара тысяч проходов - и готов мегапиксель матрицы со всей обвязкой. Ну или мегабит памяти, причем не абы какой, а статической CMOS.
Это не по 100 элементов рисовать.
Кстати, матрица мегапикселей на 10-14 содержит если не миллиард транзисторов, то очень близко к нему.

Очень хорошо этот метод позволит впихнуть регулярные структуры в неквадраные места (да, те самые готовые блоки поделить на запчасти и раскидать туда, где еще место осталось). Или вообще устроить тотальный "интерлейс" двум-трем блокам в целях оптимизации тепловыделения, особенно если сверхвысокое быстродействие не нужно.

И что-то мне подсказывает, что этот же аппарат можно использовать для изготовления фотошаблонов. Причем быстрого (миллион лучей - не фунт изюма) и точного - 45 нанометров нужно далеко не всем и не везде, как вы справедливо заметили. ;)

[CoolSV]

Именно возможность обойтись вообще без фотошаблона - основной посыл статьи и преимущество аппарата. Рисуем прямо по фоторезисту. По такому же точно фоторезисту, как у всех.
Это то как раз и понятно. И в принципе идея то конечно здравая. Но проблемы тут вот в чем: установка фотолитографии – это по сути своей проектор, как раньше был проектор диафильмов, и можно было на экране просматривать фотографии, так и тут суть та же самая. Т. е. это по сути навороченный фотоаппарат, только вместо фотоплёнки у нас пластина.
Т. е. ты кладёшь пластину на пьедестал, у тебя там стоит световой фильтр, ты наводишь на резкость(ну на самом деле это делается автоматически как правило, но не суть), и смотришь, чтобы она была одинакова по всей пластине, убираешь фильтр, и у тебя уже готовое изображение заготовки для миллионов микросхем – детали миллиардов транзисторов, и причём практически мгновенно. Первая литография там не очень интересно, а вот последующие… Там уже нужно точно совмещать с предыдущими слоями. Для этого на всей поверхности пластины в промежутках между кристаллами наносятся специальные метки, и их много, потому что точность нужна охренительная! И опять же, ты в начале совмещаешь все эти метки, и только потом засвечиваешь фоторезист. Совмещать надо по всей пластине, потому как на глаз они может и одинаковые, но на самом деле отличаются. Какие-то чуть вогнутые, какие-то чуть выпуклые, но этого достаточно чтобы сбить резкость на какой-то области пластины.
Так вот, применяя фотошаблон у нас есть возможность точно прицелиться: у нас гарантированно изображение будет точно совмещено с предыдущим, будет хорошая резкость, и оно будет правильно отмасштабировано (метки в этом деле нам тоже помогают), так как даже не меняя настроек у нас что-то спустя время да собьётся.
Как добиться того же самого, рисуя каждый раз, что называется с чистого листа, плохо себе представляю.
В принципе, я конечно не исключаю, может быть и удастся добиться стабильно чёткого изображения и так же хорошо научиться ориентировать, но установка будет намного сложнее и однозначно на порядок менее производительная, так как рисование займёт на порядок больше времени чем засветка готового изображения.
В уже имеющихся установках во время засветки ничего не двигается изображение уже готовое есть. Тут же надо будет чего-то рисовать, как то отклонять луч, и причём с мега точностью. Тут с наводкой на резкость и ориентированием ели справляются. Даже готовый рисунок уже просто отобразить на пластине невероятно сложно. Обычная оптическая литография подошла уже к пределу своей разрешающей способности. До микрона там хоть обычным светом засвечивай, и так всё хорошо работает. А тут уже и оптика невероятно дорогая, по-моему, даже уже не из стекла её делают, а из солевых кристаллов, и чтобы соль не мутнела, её постоянно обдувают азотом.
Короче говоря, установки и так уже безумно дорогие, в том числе и из-за дорогой оптики. А тут предлагают сделать по тому же принципу, но ещё в 2 раза сложнее и дороже.
Что из этого получится мы конечно же посмотрим. :) Но меня терзают смутные сомнения!


Очень хорошо этот метод позволит впихнуть регулярные структуры в не квадраные места (да, те самые готовые блоки поделить на запчасти и раскидать туда, где еще место осталось).
Чё то мне кажется, всё таки ещё не до конца понятно как производятся микросхемы! :)
Сама пластина монокремния она круглая, диаметром 200 или 300 мм. И пространство этой пластины до упора забито квадратными или прямоугольными микросхемами. После того как пластина прошла цикл, и кристаллы микросхем готовы. Пластина скайбируется, т. е. с обратной стороны делается надрез между кристаллами микросхем. После этого пластина разламывается на квадратики, на которых остаётся только одна микросхема. После этого кристалл приклеивается к подложке. Подложка может являться даже частью радиатора, если микросхема рассеивает большую мощность. По краям квадратного кристалла микросхемы находятся контактные площадки, со входами и выходами микросхемы, плюс тестовые контактные площадки. Тестовые площадки нужны только при выходном контроле а так, вообще и не нужны, поэтому чтобы сэкономить место, для транзисторов микросхемы, их стараются сделать как можно меньше. Если микросхема годная, то ко входам и выходам, (ну естественно, плюс площадки земли и питания) привариваются тоненькие проволочки, которые уже соединяются с настоящими ножками микросхемы. И потом уже всё заваривается в корпус, пластиковый, либо керамический.
Разбить микросхему на части никак не возможно. :) Межсоединений между блоками микросхемы могут быть десятки, если не сотни, при этом важна и длина проводников и их ширина, и желательно чтобы было как можно меньше дополнительных контактов.
Так как кристалл приклеивается к подложке, то размер подложки и определяет максимальный размер кристалла для данного типа корпуса. Соответственно если у нас микросхема не очень сложная, и транзисторов не очень много, то пусть она даже на миллиметр в длину и в ширину будет больше чем у конкурентов, но влезет в тот же самый корпус, то никакой разницы не будет.
А если у нас ещё и технология будет не такая продвинутая, соответственно более дешёвая, а микросхема будет обладать теми же параметрами, то мы ещё и в выигрыше можем оказаться!

[Alexio]

Приятно почитать содержательный топик.
Если имеются готовые шаблоны для литографии, то процесс изготовления микросхем однозначно дешевле и проще классическим методом, это я понял.
Также понял, что описываемый метод (в теории) позволяет избавиться от шаблонов, непосредственно рисуя миллионом лазеров по светочувствительному слою на пластине кремния, пусть даже все эти миллион лазеров рисуют одно и то же, только в разных местах пластины.
А сколько затрачивается времени и средств изготовить комплект таких шаблонов?

[Zorge]

Как добиться того же самого, рисуя каждый раз, что называется с чистого листа, плохо себе представляю.
По тем же самым меткам на пластине привязываться прямо в процессе рисования. Например по отражению от лазера другой длинны волны (той, на которую фоторезист не среагирует) от меток.
А если рисуем не первый слой - то прямо от уже нарисованного рисунка. Причем к небольшим огрехам предыдущего этапа можно приспосабливаться - сдвинулся канал полевого транзистора чуть-чуть, если место позволяет - мы и диэлектрик туда же сдвинем слегка. Причем не весь, а только для данного конкретного транзистора.

Точное наведение блока лазеров делается в магнитном подвесе (см. как работает CD-ROM).

В промежутках между рисками и рисованием, никто не мешает лазер выключать. Причем с достаточно высокой скоростью - вон DVD-R и Blue-Ray пишут на страшенных же скоростях.

Для достижения высокой точности (и точной экспозиции фоторезиста) - лазер в импульсном режиме использовать. Причем следящую систему для всего этого можно не так наворачивать (или наоборот - повысить порог точности) - едет себе лазер ровно, дошел до нужного расстояния от метки на пластине - шлеп, импульс - на фоторезисте точка. Не дошел (или промахнулась система следящая) - раз, импульса нету.

Там где точность высокая не нужна (например рисуем сплошную поверхность вдали от ее края или по более "толстой" технологии работаем) - жарим по площадям и дорожкам в обычном постоянном режиме.

Как-то так.



А тут уже и оптика невероятно дорогая
Опять же, лазерное монохроматичное излучение позволяет не так сильно с оптикой заморачиваться. Хроматических аберраций просто не будет.

Кстати, а чем нынче фоторезист экспонируют? Когда я учился в институте - нам рассказывали про кварцевые ультрафиолетовые лампы.



Чё то мне кажется, всё таки ещё не до конца понятно как производятся микросхемы! :)
Ну вот опять. Я про Фому, а вы про Ерему. :)
Имеется в виду впихивать в неквадратные места (оставшиеся от расположения других частей топологии) и всячески с регулярными структурами извращаться на этапе проектирования микросхемы. В процессе отладки ее топологии. Можно ведь совершенно дичайшие предположения нарисовать - из разряда "а вдруг"? Причем все варианты можно опробовать уже на одной пластине. А если микросхема мелкая и на пластину ее влезает много - то и статистику по каждому варианту набрать - 10 штук такого, 10 штук такого, этого сделаем 15 (по теории шансов у него больше, или наоборот - оно видится более сложным в производстве), а от той микросхемы нарисуем пока тот кусок, что успели напроектировать - его проверим на практике, а потом будем плясать уже от него, если заработает как нужно. Или забракуем, если будет вести себя плохо.

Без такого рисовальщика - цена шага вправо или влево будет очень большой - фотошаблон - это дорого.



А сколько затрачивается времени и средств изготовить комплект таких шаблонов?
Как делают сейчас, и цену современного шаблона не знаю.
Знаю только, что для микросхем малой степени интеграции и пластин диаметром 100 мм по технологии 250 микрон цена вопроса - около 2000-2500 советских рублей за пластинку. На одну микросхему типа К155ЛА3 нужно в районе трех десятков разных пластин.

Но их делали другими методами - на большом листе прозрачной пленки чертили тушью топологию, а потом оптическим уменьшением переэкспонировали на фотопластинки уже в "натуральный" размер.