Jak vzniká procesor - moderní výrobní technologie

Kdy přijdou 450 mm wafery?

Ke změně velikosti waferů dochází v polovodičovém průmyslu zhruba každých 12-15 let. Tento trend ovšem není nadále udržitelný a zřejmě bude nutné přechod na větší wafery zpomalit (či možná dokonce zastavit). Až dnes dochází na poli 300 mm waferů k většímu rozmachu. Podíl výstupu čipů na 300 mm waferech je dnes celosvětově přibližně 25%. K přechodu na větší wafery dochází postupem času, jak se zvětšuje dostupnost a snižuje cena výroby a zařízení ke zpracování 300 mm waferů. Výhodnost tohoto přechodu stoupá také s miniaturizací výrobní technologie, kde až jistá miniaturizace spolu s metodami růstu výtežnosti a odladěním výroby samotné přináší značný užitek a výraznější snížení ceny oproti zpracování na osvědčených 200 mm waferech.

S každou generací větších waferů také ubývá firem, které si tento přechod mohou dovolit. Celosvětově přes 100 společností produkuje čipy na 200 mm waferech a ani ne 50 jich bylo schopných přejít na výrobu s wafery o průměru 300 mm. Ačkoliv jak na poli výrobců přístrojů ke zpracování waferů, tak na poli pro pokročilou litografii, dochází ke kooperaci a stále častějšímu sdružování firem a udržení tempa pokroku je tak stále větší výzvou. Ke kooperaci firem nedochází jen na poli vývoje a výzkumu, ale i kvůli hladšímu a efektivnějšímu přechodu na pokročilejší výrobní technologie celého odvětví. Jedním takovým společenstvým je SEMATECH, které sdružuje přední výrobce čipů. Členy jsou: AMD, Freescale, HP, IBM, Infineon, Intel, NEC, Panasonic, Philips, Renesas, Spansion, Samsung, TSMC a Texas Instrument, kteří tvoří přibližně 50% celosvětového trhu s čipy.

Názory na nasazení 450 mm waferů v čipovém průmyslu se také značně liší. ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors) předpokládá počátek zavádění 450 mm waferů již na rok 2012. VLSI Research má poněkud střízlivější odhad, a to v časový horizont 2020-2025. Jakkoliv se kapacita 450 mm waferů může zdát lákavá, bude nutné v případě takto velkých waferů zvážit řadu technologií, jak pro zpracování samotných waferů, tak pro manipulaci s nimi. Dalším obrovským problémem je cena a návratnost investicí do výzkumu a vývoje zařízení a technologií ke zpracování a výrobě čipů s použitím 450 mm waferů. S rostoucí cenou zařízení pro zpracování větších waferů klesá počet firem, které si tyto investice mohou dovolit, a tím i čas na zaplacení výzkumu a vývoje technologií s tímto spojených.

Přes všechny zmíněné problémy chce řada velkých výrobců jako Samsung nebo Intel na 450 mm wafery přejít co nejdříve. Počátek přechodu k 450 mm waferům Intel plánuje zatím k výrobní technologii pod 22 nm, pro kterou se také předpokládá nasazení EUV litografie.

Rozdíly v investicích u každé následující generace waferů jsou značné. Podle některých studií se v případě 450 mm waferů mohou investice s tím spojené (podle pesimistických odhadů) vyšplhat na stovky miliard dolarů. Problém bude také cena takové továrny. V současnosti stojí továrna s 300 mm wafery pro výrobu čipů a 65 nm výrobní technologií zhruba 2.5 miliardy dolarů. Odhady při nasazení 450 mm waferů a 22 nm výrobní technologie předpokládají cenu již okolo 10 až 20 miliard. Pokud vezmeme v úvahu předchozí trendy ze zavádění větších waferů do výroby a další trendy v oboru, dojdeme asi k závěru, že nasazení 450 mm waferů je v nejbližším předpokládaném časovém horizontu 2012-2013 nepravděpodobné a pokud se 450 mm wafery dočkají nějakého výraznějšího rozšíření bude to pravděpodobně mnohem později.

Co říci závěrem? Ačkoliv bude řešení řady problémů v polovodičovém průmyslu a zejména nám blízkých procesorů stále složitější, současné a zatím plánované technologie představují řadu alternativ a řešení ještě na řadu let. Díky stálému růstu trhu IT a růstu trhu s polovodiči se máme v příštích letech na co těšit. Sledovat řešení stále složitějších problémů v oblasti výroby procesorů bude jistě stále zajímavější...


Zdroje: AMD, Carl Zeiss, Fabtech, FutureFab, IBM, Intel, Nikon, Reed Electronics, Rochester Institute of Technology, Sematech, SPIE