Со времени начала производства первых интегральных схем в начале 60-х годов, в полупроводниковом производстве наблюдался неизменный прогресс. Это обычно объясняется «Законом Мура» (точнее сказать, это не закон, а эмпирическое наблюдение). Американский инженер Гордон Мур, один из основателей корпорации Intel, сформулировал его в 1965 году:
При существующем темпе развития аппаратного обеспечения число транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается каждые 24 месяца. (Уточнённая редакция 1975 года).
Надо сказать, что по сей день этот закон в целом исполняется. Плотность транзисторов, а стало быть и производительность интегральных схем, возрастают с завидным постоянством все последние 60 лет. Этот рост обеспечивается прогрессом в области соответствующих технических процессов: способностью уменьшить размер транзисторов, увеличить их количество и оптимизировать их расположение в микрочипе. Но при чём здесь диаметр кремниевой пластины (диска), на которой эти микрочипы «печатаются»? Всё дело в экономической целесообразности: чем больше диаметр пластины, тем больше чипов соответствующего размера на пластине помещается, и тем дешевле обходится производство каждого отдельного чипа. К примеру, на пластине диаметром 200 мм помещается примерно в 1,78 раза больше таких же чипов, чем на пластине диаметром 150 мм.
Одной из основных характеристик полупроводниковой фабрики является wpm (wafers per month = число кремниевых пластин с чипами, выпускаемых в месяц). Если две фабрики имеют одинаковый wpm, но при этом диаметры пластин у них разные, причём на пластине первой фабрики чипов помещается в два раза больше, чем на пластине второй фабрики, это приведёт к тому, что владельцу второй фабрики придётся строить ещё одну фабрику, чтобы добиться паритета по выпуску чипов с первой фабрикой. А две фабрики дороже одной. Не ровно в два раза, конечно, учитывая более современное и дорогое оборудование на более передовой фабрике, но всё равно существенно дороже. Количество работников также прежде всего зависит от количества обслуживаемых пластин, а не от их диаметра. Более крупные пластины позволяют снизить уровень отходов и расход электроэнергии на один произведённый чип. К тому же пластины большого диаметра, как правило, обеспечивают более высокий процент выхода годных микрочипов. Все эти причины и приводят к большей экономической эффективности производства чипов на более крупных пластинах.
Поскольку каждый новый техпроцесс дороже предыдущего, то одной из немногих возможностей сдержать рост стоимости микрочипов является увеличение выхода чипов с одной пластины. Так что если взглянуть ретроспективно на развитие техпроцессов с самого начала производства микрочипов, мы увидим что определённые закономерности распространялись не только на увеличение количества транзисторов на микросхеме, но и на увеличение диаметра кремниевой пластины. В среднем каждый год рост производительности микрочипов возрастал на 25 %, а рост диаметра пластин на 4%. Разумеется, на практике это происходило скачкообразно, по мере внедрения новых техпроцессов и началом выпуска очередных пластин с большим диаметром.
В начале 60-х интегральные схемы производились на полудюймовых пластинах (примерно 13 мм). В 70-х — уже на 3 и 4 дюймовых пластинах. В 80-х годах перешли на 5 и 6 дюймовые пластины, а в 90-х — на пластины диаметром 8 дюймов (200 мм), которые очень широко используются и в наши дни, особенно при производстве чипов по не самым передовым техпроцессам. Ну а «королевой современности» является 300 миллиметровая (12 дюймовая) пластина, на которой печатаются чипы по самым передовым техпроцессам, таким как 12 нанометров, 7 нм, 5 нм и 3 нм. Предприятия, которые имеют возможность переоснастить свои производственные мощности более современным оборудованием, с удовольствием печатают на таких пластинах чипы и по более «старым» техпроцессам. В наше время использовать обозначение в дюймах многим надоело, так что диаметры пластин стали указывать в миллиметрах: 200 мм и 300 мм вместо 8 дюймов и 12 дюймов.
Но если прогресс по части техпроцессов идёт непрерывно (только на прошлой неделе тайваньский производственный гигант TSMC начал опытное производство ультрасовременных чипов по техпроцессу 2 нм по заказу американской Apple), то прогресс в области диаметра пластин застопорился примерно в 2002 году, когда большинство вновь строящихся фабрик стали оснащаться производственными линиями, рассчитанными на работу с 300 мм пластинами. Возникает вопрос: почему мировая полупроводниковая промышленность давно не перешла на очередные, 450 мм пластины? Ведь в логике производительности и эффективности ничего принципиально не изменилось.
Попытки это сделать предпринимались. В 2012 году даже был создан Global 450 mm Consortium. В состав этого консорциума вошли ведущие мировые производители полупроводников: Intel, TSMC, Samsung, GlobalFoundries, IBM, а также Колледж нанотехнологий и инженерии штата Нью-Йорк и второй в мире поставщик (после голландской ASML) фотолитографического оборудования Nikon. Однако, как говорится, воз и ныне там. Всё упёрлось в «простой» вопрос: кто будет финансировать дорогостоящий переход на новые производственные технологии. Прошлые переходы всегда кто-то финансировал.
Главным инициатором и финансистом перехода на 150 мм пластины в своё время стала компания Intel. Основное бремя перехода на 200 мм пластины взяла на себя американская IBM. Разумеется, это было сделано не столько из-за любви к прогрессу, сколько из-за того, что эти компании видели для себя в этом процессе больше выгод, чем другие участники рынка. А вот последний переход на 300 нм пластины возглавили компании по производству оборудования. Понадобилось разработать и развернуть производство нового литографического оборудования, машин травления и осаждения, диффузионных печей и далее по списку. Это потребовало многомиллиардных расходов. Оказалось, что после этого финансировать переход на 450 мм производители оборудования совсем не рвутся. Как, впрочем, и непосредственные производители микрочипов.
К тому же переход на 450 мм пластины потребует оборудования просто гигантских размеров. А ведь даже уже существующее оборудование маленьким не назовёшь. К примеру, новейшие литографические машины (экстремальный ультрафиолет) последнего поколения (с высокой числовой апертурой) голландского монополиста ASML весят 165 тонн и поставляются в 250 ящиках. Процесс установки таких машин на производственной площадке занимает порядка полугода. Транспортировка только одной установки осуществляется целым флотом грузовых авиалайнеров Boeing 747 Jumbo.
Очень похоже, что пауза в росте диаметров полупроводниковых пластин продлится ещё какое-то время. Но от факта, что на 450 мм пластине можно производить в 2,25 раза больше чипов, чем на 300 мм, не отмахнуться: ведь по разным оценкам это может снизить стоимость чипа на 30%. Значит, раньше или позже случится то, что происходило уже не раз: самые крупные игроки полупроводникового рынка договорятся, откроют кошельки и профинансируют очередной мегадорогой проект. В конце концов именно такой подход позволял в течении последних десятилетий всего нескольким мировым производителям, таким как Intel, TSMC, Samsung, ASML, контролировать самые передовые и прибыльные сегменты мировой микроэлектроники. Ну а предприятиям поскромнее придётся довольствоваться менее «вкусными» рынками. Хотя, судя по темпам развития микроэлектроники, работы должно хватить всем.