Moderní výrobní technologie II

Budoucnost 450 mm waferů

Wafer, někdy také výstižně nazývaný jako "křemíková oplatka", je prapůvodcem budoucího procesoru. Velikost waferu a procesoru samotného samozřejmě ovlivňují jeho cenu a také možnosti při jeho návrhu. Přechod na 450mm wafery je plánován již léta, ale ve skutečnost situace není zdaleka tak "žhavá". 450mm wafery mají přinést úspory a růst kapacity, ale cena FABu bude pro většinu společností prostě příliš vysoká. Největší poptávka po větších waferech je přirozeně u největších firem, jako je například Intel, Samsung, Toshiba nebo TSMC.

Hrubou představu o možnostech a růstu kapacity různě velkých waferů Vám zřejmě dají následující čísla o plošné velikosti waferu pro 200, 300 a v budoucnosti 450mm wafery. Prostým výpočtem dojdeme k tomu, že se jedná pouze o teoretické hodnoty a prakticky využitelná plocha je menší (částečně také v závislosti na tvaru a velikosti čipu). Pokud převedeme plochu na výstup čipů na wafer, je zlepšení na úrovni přibližně 2,25x z 200mm na 300mm wafery. Přechod na 450mm přinese podobné výsledky.

• 200mm wafer ~ 314,1 mm²
• 300mm wafer ~ 706,8 mm²
• 450mm wafer ~ 1590,4 mm²

Vzhledem k astronomicky rostoucím nákladům případné zavedení 450mm waferů a výzkum samozřejmě není otázkou jediné firmy, ale sdružení firem polovodičového odvětví. Jedním z nich je například International Sematech Manufacturing Initiative (ISMI, Austin, Texas), který během příštího roku představí stroje pro manipulaci a "tooly" pro 450mm wafery. V Advanced Technology Development Facility (ATDF) v Austinu budou tyto zařízení také testovány. Šestnáctičlenné koncorcium ISMI také bude zaštiťovat testy s testovacímy wafery, které zatím nemají ani přesné požadované parametry, jako tlouštku waferu a tolerance, drážky pro uchycení a další parametry, které bude třeba specifikovat.

Pilotní program v ATDF by tak měl přinést potřebné standardy a vzájemnou dohodu výrobců waferů, zařízení pro jejich manipulaci a další zpracování, stejně tak standardy pro zařízení na litografii a procesy výroby. Aktivity ohledně 450mm waferů jsou přirozeným vývojem ve waferovém a polovodičovém průmyslu - testovací projekt v ATDF má přinést hladší přechod na větší průměr waferů. Již při přechodu na 300mm wafery se totiž ukázalo, že řada vybavení s možným přechodem na větší wafery prostě vůbec nepočítá, což samozřejmě přineslo nejen vyšší cenu, ale také řadu odkladů v zavádění 300mm waferů. Pouze možnost "upgradu" a co nejnižší cena může přechod na 450mm wafery může pomoci většímu rozšíření (a ve svém důsledku také sdílení prostředků na vývoj a výzkum), který přirozeně někdo musí zaplatit. Přes 70 různých společností má FABy s 200mm wafery, ale jen necelých 30 výrobců vyrábí wafery o velikosti 300mm. Menším výrobcům, kteří s 450mm wafery z důvodu ceny nemohou počítat, se přirozeně do takovéto investice příliš nechce, ačkoliv i zde je možné sdílet výrobní kapacity, podobně jako to dělá například Chartered Semi...

Často je v souvislosti s 450mm wafery zmiňována úspora 30% nákladů s ohledem na palec čtvereční. Odhadované nutné investice do výzkumu se ale pohybují mezi 10 až 16 miliardami dolarů a ještě bude třeba řady studií a dalšího výzkumu - menší firmy samozřejmě nemají k investicím do těchto technologií (které si nemohou dovolit) důvod, a proto náklady na 450 mm wafery bude sdílet jen několik největších výrobců. Vzhledem nákladům na další nutný výzkum, vývoj a nutným investicím i do samotného 450 mm FABu tak může 30% úspora zatím působit spíše jako zbožné přání.
Kromě zmiňovaného přináší 450mm wafery i několik potíží. Největším omezením pro řadu menších výrobců bude tedy cena - a to jak z hlediska vybavení pro 450mm FABy a dále také omezení, které plyne ze samotné velikosti waferů. Podstatné jsou zde i potíže s možným pronášením, prohyby waferu a obtížnější manipulace. Vzhledem ke standardním parametrům tlouštky waferu 775 µm u 300 mm waferu by bylo použití totožné síly waferu u 450mm již podstatný problém. 825 µm má až pětinásobně vetší prohyb jen díky své hmotnosti, a wafery proto bude třeba při manipulaci nějakým způsobem jistit a dojde proto zřejmě i k jejich "ztloustnutí". U waferů o poloměru 450 mm to bude minimálně 925 µm. Takto velký wafer bude mít váhu přibližně 340 gramů.

450 mm jen pro "pár vyvolených"?

Výstavba 300mm FABů je stále na vzestupu, a tak koncem roku 2008 jich bude celosvětově v provozu podle odhadů více alespoň 86. Řada výrobců svůj výzkum ale stále soustředí na 300mm wafery a možné zvýšení výtěžnosti paralelním zpracováním 300mm waferů. Skeptičtější odhady nákladů na 450mm FABy se pohybují až okolo magické hranice 10 miliard dolarů (cena FABu s 300 mm wafery se pohybuje mezi 3 až 3,5 miliardami dolarů). A to je hodně i pro velké hráče. 450mm FABy tak budou v každém případě záležitostí několika největších firem.
V kombinaci s EUV a například 22nm výrobní technolgogií by se jistě mohlo jednat o velice silnou kombinaci (a řada menších výrobců by se tak mohla dostat pod velký tlak). Původně plánované datum zavedení větších waferů (okolo roku 2012) je ale prakticky velice nepravěpodobné, a tak tak řada středně velkých firem, pro které byl finančně náročný i přechod na 300 mm wafery, může být zatím klidná. Šance pro ostatní by byla v takovém případě ve sloučení a nebo sdílení výrobních kapacit mezi více společností, což je stále zřejmější trend. Výrobci jsou jednoduše tlačeni k vyšší a vyšší efektivitě.

Jak se nakonec situace s 450mm wafery skutečně vyvine, uvidíme nejdříve v polovině příštího desetiletí, kde začínají ty nejvíce optimistické odhady o možném praktickém nasazení. K faktickému nasazení 450mm waferů ale myslím dojde ještě později, jak ostatně doporučuje i ISMI (podle odhadů až po roce 2018). Řada firem a sdružení z polovodičového průmyslu by nejraději uvítala 450 mm wafery až mezi roky 2020 až 2025. Udělat krok "vedle" stálo většinu firem nemalé náklady i při přechodu na 300mm wafery a ty jsou oproti těm 450 mm levnou záležitostí. Doba příchodu 450 mm waferů tak spíše bude záviset na tom, jak hluboko bude moci několik největších "tahounů" sáhnout do svých kapes a popohnat výzkum a vývoj v oblasti (a možné nasazení větších waferů tak podstatně urychlit). Jsem velice zvědavý, jak dalece se předpovědi ohledně nákladů, ceny a zavádění 450 mm waferů nakonec vyplní...

Větší wafery a fotolitografie sama o sobě pro pokrok, a stále menší výrobní technologie, již nestačí, a tak se v poslední části podíváme na nové používané materiály v procesorovém průmyslu.