Полупроводниковые производства Intel

---

По материалам корпорации Intel.

Корпорация Intel (http://www.intel.com) располагает не только крупнейшими научно-исследовательскими подразделениями, но и колоссальными и дорогостоящими производственными мощностями. Сегодня у полупроводникового гиганта насчитывается более полутора десятков производственных фабрик в США, Ирландии и Израиле (см. таблицу), а также дюжина сборочных заводов (в Китае, на Филиппинах, в Малайзии и Коста-Рике). Напомним, что последние занимаются нарезкой полупроводниковых пластин на отдельные кристаллы, последующей их корпусировкой (так называется процесс упаковки микросхем в корпус) и тестированием.

Сложность и стоимость полупроводникового производства постоянно растут. Необходимо отметить, что стоимостные и технологические вопросы в полупроводниковой промышленности тесно взаимосвязаны. Для развития современных технологий микроэлектроники и создания новых производств нужны огромные инвестиции в приобретение специального технологического оборудования и строительство чистых помещений. Считается, что самая высокая доля в стоимости полупроводниковой фабрики приходится на технологическое и контрольно-измерительное оборудование. По некоторым данным, стоимость этого оборудования может достигать 50—70% общей стоимости предприятия. По оценкам, для наращивания производства полупроводниковым фирмам необходимо выделять на капитальные нужды более 20% своего годового дохода, а меньших средств достаточно лишь для его поддержания.

[Фото]

На заводе Intel.

Сегодня процесс изготовления микросхем включает несколько технологических этапов, в число которых входят литография, ионная имплантация, диффузия и окисление, осаждение, травление, очистка, планаризация и измерения. Важнейшие научные и инженерные разработки нацелены на усовершенствование ключевого этапа производства интегральной схемы — литографии.

Развитие литографической технологии со времени ее изобретения в начале 70-х гг. прошлого века шло в направлении сокращения длины световой волны, что позволяло уменьшать размеры элементов интегральной схемы. С середины 80-х в фотолитографии используется ультрафиолетовое излучение, получаемое с помощью лазера. Чтобы нанести рисунок схемы на пластину, с помощью управляемой компьютером машины (степпера) выполняется фотолитография. Цель ее — создать в слое материала-фоторезиста «окна» заданной конфигурации для доступа травителя к расположенной под этим слоем полупроводниковой пластине с оксидной пленкой. Такие «окна» образуются при экспонировании фоторезиста в потоке УФ-излучения лазера, в результате чего фоторезист теряет (или приобретает) растворимость. Конфигурацию «окон» задают соответствующие маски, после применения которых полученное изображение конденсируется с помощью специальной системы линз. Именно она уменьшает заданный на маске шаблон до микроскопических размеров схемы. Кремниевая пластина закрепляется на позиционном столе под системой линз и перемещается таким образом, чтобы последовательно обрабатывались все размещенные на пластине микропроцессоры. УФ-лучи от лазера проходят через свободные пространства на маске. Под их действием светочувствительный слой в соответствующих местах пластины приобретает способность к растворению и затем удаляется органическими растворителями. Современная фотолитографическая машина обрабатывает за один час несколько десятков восьмидюймовых полупроводниковых пластин.

До недавнего времени большинство кристаллов производилось с помощью УФ-лучей с длиной волны 0,248 мкм. Для создания новых кристаллов была разработана литографическая технология с использованием длины волны 0,193 мкм и менее. При создании новых технологических процессов очень важно плотное сотрудничество с ведущими производителями литографического оборудования и материалов — такими, как компании ASMI (оборудование для работы с диэлектрическими пленками low-k и технологией strained silicon), ASML и Nikon (литографические сканеры и степперы), Novellus (работа с PVD-материалами (Physical Vapor Deposition) для нанесения медных проводников). Не исключено, что при внедрении новых техпроцессов будет использоваться технология атомарного нанесения уровней ALD (Atomic Layer Deposition) от ASMI и Genus, а также методика лазерной термообработки LTP (Laser Thermal Processing), разработанная компанией Ultratech. В автоматизации техпроцессов большие успехи достигнуты компаниями Asyst Technologies и Daifuku. Заметим, что средняя стоимость каждой производственной линии по выпуску 65-нм кристаллов оценивается в среднем в 500—700 млн долл. Что касается наиболее критичных инструментов — литографических сканеров, то, например, компания Nikon создала модели с аргон-фторидными (ArF) лазерами, а для наиболее критичных слоев — сканеры с высокой числовой апертурой NA (Numeric Aperture).

Фабрики корпорации Intel

Название фабрики	Местоположение	Год запуска производства
Fab8	Иерусалим, Израиль	1985
Fab10	Лейкслип, Ирландия	1993
Fab11	Рио-Ранчо, шт. Нью-Мексико, США	1993
Fab11Х	Рио-Ранчо, шт. Нью-Мексико, США	2002
Fab12	Чендлер, шт. Аризона, США	1996
Fab14	Лейкслип, Ирландия	1998
Fab17	Гудзон, шт. Массачусетс, США	1994
Fab18	Кирьят-Гат, Израиль	1999
Fab20	Хиллсборо, шт. Орегон, США	1996
Fab22	Чендлер, шт. Аризона, США	2001
Fab23	Колорадо Спрингс, шт. Колорадо, США	2001
Fab24	Лейкслип, Ирландия	2004
Fab24-2	Лейкслип, Ирландия	2006
Fab28	Кирьят-Гат, Израиль	2008
Fab32	Чендлер, шт. Аризона, США	2007
Fab68	Далянь, Китай	2010
D2	Санта-Клара, шт. Калифорния, США	1988
D1C	Хиллсборо, шт. Орегон, США	1999
D1D	Хиллсборо, шт. Орегон, США	2003

Фабрика D1D

В IV квартале этого года Intel начнет эру 45-нм процессоров, которые известны пока под кодовым именем Penryn. Первые небольшие партии новых процессоров будут производиться на фабрике D1D в штате Орегоне. На данный момент строятся еще две новые фабрики, которые будут оснащены оборудованием для производства 45-нм продуктов: Fab32 в Чендлере (Chandler), шт. Аризона в США и Fab28 в Кирьят-Гат (Kiryat-Gat) в Израиле.

Фабрику D1D Intel торжественно открыла 26 апреля 2003 г. Это предприятие было создано для разработки и производства подложек диаметром 300 мм. Площадь «чистых» производственных помещений предприятия составляет почти 19 тыс. кв. м. И по сегодняшний день фабрика D1D считается пионером в освоении передовых полупроводниковых технологий. Буквально через полгода после ее открытия Intel объявила о том, что ее специалисты на базе мощностей D1D создали полностью рабочую микросхему статического ОЗУ объемом 4 Мбит по 65-нм производственному процессу. А в 2004 г. корпорация представила полностью рабочие микросхемы статического ОЗУ объемом 70 Мбит, содержащие более 500 млн транзисторов и изготовленные по 65-нм производственной технологии на этой же фабрике.

Уже во второй половине текущего года D1D в Орегоне первой в мире начнет производить значительные объемы продукции с применением 45-нм производственной технологии — сначала на базе микроархитектуры Intel Core, а затем на базе новой микроархитектуры, носящей сейчас кодовое название Nehalem, выход которой на рынок запланирован на 2008 г. Уже сегодня Intel располагает работоспособными опытными образцами пяти процессоров из 15 будущих 45-нм продуктов. В своей 45-нм производственной технологии корпорация первой в индустрии начала использовать инновационное сочетание новых материалов, которое значительно сокращает токи утечки транзисторов и повышает их производительность. Для создания диэлектрика затвора транзистора применяется новый материал, называемый high-k, а для электрода затвора транзистора — новое сочетание металлических материалов.

Именно благодаря фабрике D1D Intel удалось быстро освоить и технологический процесс предыдущего поколения — а ведь запуск 65-нм процесса пришелся на непростые для корпорации времена обострения конкуренции на рынке. Сегодня можно уверенно констатировать, что благодаря двухъядерным процессорам Intel Core 2 Duo и Intel Xeon на базе новой микроархитектуры, выпуск которых начался в июле 2006 г., Intel смогла вернуть утраченные было позиции. Однако, как известно, даже самая передовая микроархитектура сама по себе ничего не значит, если нет возможности быстро наладить крупносерийный выпуск и продажи продукции. Комментируя успешное развертывание 65-нм производственного процесса, руководители корпорации неоднократно заявляли, что это было самое быстрое внедрение новой производственной технологии в истории Intel. Еще никогда производственные технологии и планы выпуска продукции не реализовывались столь эффективно и быстро (напомним, что, по данным на конец 2006 г., Intel произвела по 65-нм технологии 70 млн процессоров). И это стало возможным в немалой степени благодаря профессиональным действиям персонала фабрики D1D.

Обычная практика Intel — тестирование новых производственных процессов и устранение технологических дефектов на одной из своих экспериментальных фабрик. После того как процесс в достаточной степени отлажен, он запускается на экспериментальной фабрике в массовое производство, а затем переносится на другие фабрики корпорации. Сотрудники D1D, которые принимали участие во внедрении 65-нм технологии, следовали по тому же пути, но в процессе перехода от разработки к серийному производству они продемонстрировали все свое мастерство и добились рекордного сокращения продолжительности «экспериментальной» фазы производственного цикла. Заметим, что эффективность и производительность работы фабрики измеряется в единицах, которые называют «обороты WIP»; здесь WIP (Wafers-In-Process) — это кремниевые подложки, находящиеся в процессе обработки. Данная величина позволяет оценить, насколько быстро фабрика может завершить полный цикл обработки подложек. Чем выше обороты WIP, тем меньше время производственного цикла на фабрике и тем больше подложек можно обработать в течение определенного периода времени. Высокое значение оборотов WIP — показатель высокого выхода готовой продукции и рентабельности производства в целом. Среднее значение показателя оборотов WIP для типичной фабрики Intel, выпускающей крупносерийную продукцию, равно 1,5—1,7. На некоторых фабриках этот показатель составляет 1,9. На фабрике D1D было достигнуто значение, равное 3, — это практически вдвое превышает типичный уровень производительности фабрик Intel.

После того как цели были определены, сотрудники D1D сосредоточились на решении двух важнейших задач — обеспечения постоянной готовности и максимальной загрузки имеющегося оборудования. Эти задачи могут показаться очевидными, но на самом деле не все так просто. На фабрике D1D был введен режим круглосуточного мониторинга состояния инструментов и оборудования. Руководители фабрики семь дней в неделю проводят совещания по оценке работоспособности имеющихся инструментов и оборудования. Организовано круглосуточное дежурство технологов и инженеров для оперативного решения проблем, связанных с функционированием оборудования. Проводится обучение всех сотрудников D1D быстрому поиску неисправностей и ремонту. Существенно, что до сих пор ни на одной фабрике Intel не уделялось такое внимание готовности средств производства. Результаты говорят сами за себя: обычно на фабриках Intel срок выпуска 25 подложек («партии») составляет 81 день, а на фабрике D1D этот период сокращен до 51 дня. Таким образом, выход готовой продукции увеличивается на 39%.

Но самый главный критерий успешности производства — реальная продукция для клиентов и пользователей. Благодаря рекордному уровню производительности, достигнутому на фабрике D1D, уже в сентябре 2006 г. объем реализуемой 65-нм продукции Intel превысил объем продукции, выпускаемой по 90-нм технологии. Переход был совершен в рекордно короткие сроки, ни одна компания в мире на тот момент не располагала 65-нм продуктами.

Не менее важны и возможности технологического процесса, которые оцениваются показателем Process Capability Index (CPI). Он отражает точность соответствия имеющихся инструментов и оборудования техническим требованиям к выпускаемой продукции. Каждый технологический процесс характеризуется множеством технических требований, включая такие параметры, как толщина пленок, наплавляемых на подложку, и скорость травления. На фабрике D1D уже два года назад достигнуто полное соответствие всем требованиям CPI для 65-нм производственной технологии.

Исторически сложилось так, что еще на начальных этапах разработки производственных процессов корпорация Intel серьезно следит за рентабельностью и борется за повышение выхода годных кристаллов на каждой подложке. Обычно приемлемый уровень рентабельности производства достигается через 1—3 года, но в случае D1D это случилось гораздо раньше. Еще один важнейший показатель эффективности производственного процесса — себестоимость, поэтому при внедрении 65-нм технологии сотрудники D1D уделяли особое внимание оптимизации количества выпускаемых тестовых подложек, а также экономии запасных частей и химических веществ. Важно также было обеспечить высокую эффективность работы инженеров по эксплуатационному обслуживанию, чтобы гарантировать анализ и решение всех возникающих проблем.

Как считают топ-менеджеры корпорации, если привыкнуть к тому, что себестоимость продукции не имеет значения, то придется тратить любые средства, чтобы поддерживать оборудование в работоспособном состоянии. В Intel поступают иначе — стараются точно определить, что вышло из строя, поскольку вполне вероятно, что не понадобится полностью заменять дорогостоящий агрегат, а можно будет ограничиться заменой какого-то компонента. Такое внимание к деталям позволяет добиться существенной экономии средств. В результате расходы на эксплуатацию оборудования оказались минимальными за всю историю внедрения новых производственных технологий в Intel. Обычно окупаемость серийного производства корпорации достигается за девять кварталов. Расчеты показывают, что фабрике D1D удалось добиться того же за шесть кварталов.

Производственная технология 45 нм Новая 45-нм производственная технология Intel — одна из самых важных вех на пути усовершенствования структуры транзисторов за последние 40 лет. Этот производственный процесс подразумевает новое сочетание металлов для изготовления электрода затвора и использование диэлектриков high-k (с более высоким значением диэлектрической проницаемости). Инновационное сочетание новых материалов позволяет существенно снизить токи утечки и сократить время переключения транзисторов. Корпорация начнет выпускать микросхемы по 45-нм производственной технологии уже в этом году. Опытные образцы нового семейства продукции (под кодовым наименованием Penryn) уже работоспособны — на них успешно запускались несколько различных ОС и приложений. Как и планировалось ранее, Intel намерена начать массовый выпуск продукции на основе 45-нм производственной технологии во второй половине текущего года.

Фабрика Fab8

Фабрику Fab8 в Иерусалиме компания открыла в 1985 г. Она интересна уже тем, что стала первым производственным предприятием Intel, построенным за пределами Нового Света. Среди более чем 700 сотрудников фабрики есть инженеры, технические специалисты, а также специалисты в таких областях, как электроника, химия, физика и другие. На фабрике с использованием 180-мм пластин производятся десятки разных типов интегральных микросхем, разнообразные микроконтроллеры для бортовых компьютеров автомашин, периферийные компоненты для ПК и ноутбуков и т. д. Всего фабрика Fab8 выпускает порядка ста наименований продуктов.

Интересно, что на фабрике в Иерусалиме одновременно задействованы шесть технологических процессов производства с различными проектными нормами. Дело в том, что далеко не всегда требуется сверхвысокая плотность размещения транзисторов на кристалле, к тому же многие отрасли весьма консервативны. К примеру, изменить кристаллы микроконтроллеров для бортовых компьютеров автомашин часто невозможно, не меняя при этом самих печатных плат и схемы питания. Теоретически, разумеется, это реально, но рентабельность подобного перехода остается под вопросом, поскольку для многих задач производительность контроллера — не столь важный параметр. Отметим, что контроллеры Intel успешно используются в автомобильных системах ABS, которые предотвращают блокировку колес во время маневрирования одновременно с торможением автомобиля.

На Fab8 также изготавливаются различные 8- и 16-разрядные контроллеры для кассовых аппаратов, всевозможного медицинского оборудования и телекоммуникационных устройств. Кроме того, здесь выпускается целое семейство х86-процессоров общего назначения. Еще один вид продукции фабрики — процессоры RISC-архитектуры Intel 960, которые используются в серверных RAID-контроллерах, сетевом оборудовании, принтерах и в базовых телефонных станциях.

Фабрика Fab11X

В феврале этого года Intel объявила о намерении инвестировать от 1 до 1,5 млрд долл. в модернизацию своих производственных мощностей в Рио-Ранчо, шт. Нью-Мексико. Эта фабрика была открыта в октябре 2002 г. и стала первым производственным предприятием Intel, на котором было освоено массовое производство микросхем на базе кремниевых подложек диаметром 300 мм. Кроме того, эта фабрика стала первой среди полностью автоматизированных крупносерийных производств Intel по выпуску 300-мм подложек. Сейчас Fab11X выпускает микросхемы на базе 300-мм подложек по технологии 90 нм.

После переоборудования фабрика будет выпускать микросхемы по 45-нм производственной технологии следующего поколения. В соответствии с существующим графиком перехода на 45-нм техпроцесс Fab11X станет четвертой производственной площадкой Intel, на которой будут выпускаться микросхемы по этой технологии. Ввод в эксплуатацию новых производственных мощностей в Нью-Мексико намечен на вторую половину следующего года.

Фабрика Fab18

Строительство Fab18 в Кирьят-Гат началось в 1996 г. Сегодня это крупнейшая фабрика корпорации Intel в Израиле. В ее штате свыше 3700 сотрудников, около 2200 из которых — это инженеры и технические специалисты, а остальные 1500 — рабочие, в задачу которых входит поддержание сложнейшей инфраструктуры фабрики.

Выпуск продукции на фабрике Кирьят-Гат был начат в 1999 г.; в то время здесь выпускались процессоры Intel Pentium III. В течение 2004——2005 гг. на фабрике без остановки производства был внедрен новый технологический процесс с более жесткими проектными нормами 90 нм, и теперь она выпускает процессоры Intel Pentium 4. Кроме того, здесь производятся наборы микросхем для системных плат, процессоры, а также наборы микросхем для ноутбуков, процессоры для КПК и современных мобильных телефонов. Суммарные инвестиции корпорации в развитие фабрики составили примерно 1,8 млрд долл. Площадь производственного стерильного помещения на фабрике Fab18 равна площади двух футбольных полей.

Преимущества 300-мм подложек Производство 300-мм подложек значительно снижает себестоимость изготовления полупроводниковых микросхем по сравнению со стандартными подложками размером 200 мм. При использовании 300-мм подложек требуется на 40% меньше электроэнергии и воды в расчете на одну микросхему, чем в производстве с применением 200-мм подложек. Производственная технология Intel с проектной нормой 45 нм, которая впервые будет применена в массовом производстве на Fab32, позволит разместить то же количество микросхем на примерно вдвое меньшей площади по сравнению с 90-нм технологией.

Фабрика Fab24-2

Фабрика для серийного производства полупроводников в городе Лейкслип (Leixlip), Ирландия стала уже третьей фабрикой Intel, на которой микросхемы стали выпускаться по 65-нм технологии, и первой фабрикой в Европе, которая начала их серийный выпуск по новому техпроцессу. Фабрика стоимостью 2 млрд долл. начала серийное производство микросхем по 65-нм технологии на самых больших в отрасли кремниевых подложках (300 мм), обеспечив самый высокий в мире выход микропроцессоров по самой низкой себестоимости. Как и фабрики Fab12 в Аризоне и D1D в Орегоне, фабрика под названием Fab 24-2 стала технологически одной из самых передовых фабрик по серийному производству многоядерных микропроцессоров.

Фабрика Fab28

Новая фабрика в Кирьят-Гат в Израиле должна начать выпуск продукции во второй половине 2008 г. На ней будут производиться самые современные процессоры с использованием 45-нм технологии. Fab28 станет вторым предприятием Intel, на котором будет внедрен 45-нм технологический процесс. По заявлениям представителей Intel, инвестиции корпорации в строительство Fab 28 составят около 4,5 млрд долл. (уже вложено 3,5 млрд долл.). На данный момент это крупнейшие инвестиции Intel в строительство фабрик.

После ввода в эксплуатацию Fab 28 станет седьмым заводом корпорации, производящим 300-мм подложки. Площадь стерильного помещения на ней составит примерно 18 тыс. кв. м (что приблизительно равно площади футбольного поля). Как ожидается, численность сотрудников на новой фабрике превысит 4 тыс. человек, 2 тыс. из которых будут контрактными рабочими.

Fab68 в Китае Весной этого года Intel обнародовала свои планы строительства новой фабрики по производству микросхем на базе 300-мм кремниевых подложек, которая будет располагаться на северо-востоке Китая в городе Далянь (провинция Ляонинь). На строительство новых производственных мощностей, которые получили название Fab68, выделено 2,5 млрд долл. Это предприятие станет первой фабрикой Intel по производству микросхем в азиатском регионе. Корпорация присутствует на рынке Китая уже более 22 лет. За это время общая сумма инвестиций в мощности по упаковке и тестированию продукции, а также в исследования и разработки превысила 1,3 млрд долл. С учетом капиталовложений в строительство новой фабрики эта сумма достигнет почти 4 млрд долл.; тем самым Intel станет одним из самых крупных иностранных инвесторов в Китае. Строительство Fab68 начнется уже в текущем году, а начало производства запланировано на первую половину 2010 г. Планируется, что первоначально на Fab68 будут производиться наборы микросхем для поддержки работы основной продукции Intel — микропроцессоров.