В июне этого года мировые СМИ облетела новость, что крупнейший производитель полупроводников, тайваньская компания TSMC, приступила к исследованию возможности применения прямоугольных (практически квадратных) кремниевых пластин вместо круглых, которые повсеместно используются в наши дни. А чуть позже, в августе, японская Mitsubishi Materials, провела демонстрацию своих прямоугольных пластин. По этому поводу хочется сказать: давно пора! Ведь налицо явное противоречие: полупроводниковые пластины, исходный материал для производства микрочипов, имеют круглую форму, а сами чипы — прямоугольную.
В связи с этим противоречием возникают существенные издержки. И прежде всего — нерациональное использование площади пластины. Казалось бы, не такая уж большая её часть идёт в отходы. Но с учётом немаленького диаметра (самый распространённый сейчас это 300 мм), а главное огромного количество ежедневно обрабатываемых в мире пластин, эти отходы становятся просто золотыми. К тому же размер микрочипов имеет тенденцию к увеличению из-за широкого распространения приложений искусственного интеллекта. Возрастающая мощность чипа приводит к увеличению его размера (миниатюризации одних лишь транзисторов здесь не достаточно). А крупногабаритные прямоугольные микрочипы эффективно разместить на круглой пластине-подложке становится ещё сложнее, чем маленькие. Другое дело, если печатать прямоугольное на прямоугольном: всё сразу становится на свои места.
К тому же круглые пластины, как правило, имеют по краям прямой вырез или выемку. Это необходимо для того, чтобы роботы могли безопасно захватывать пластину, не касаясь ценной поверхности. Очевидно, что захватывать полностью прямоугольные пластины производственным роботам также понравится больше.
Почему тогда кремниевые пластины круглые? Дело в том, что их нарезают из слитков монокристаллического кремния цилиндрической формы. А слитки, в свою очередь, «выращиваются» в специализированных печах либо методом Чохральского (в большинстве случаев), либо методом плавающей зоны (прежде всего для силовой электроники). И в том, и в другом случаях технологии предусматривают «выращивание» именно цилиндрических заготовок.
Поскольку вся современная производственная инфраструктура оптимизирована под работу с круглыми пластинами, гипотетический переход целой отрасли на прямоугольные сопряжён с колоссальными финансовыми и технологическими издержками. С другой стороны, мировая полупроводниковая промышленность уже неоднократно осуществляла массовые переходы с пластин меньшего диаметра на пластины диаметра большего: в 90-е годы со 150 мм на 200 мм, а в начале 2000-х с 200 мм на 300 мм. Это тоже вызывало необходимость разработки и производства новых производственных линий, но как-то справились. Хотя конечно, переход с «круглого» на «прямоугольное» выглядит сложнее, чем просто переход на «круглое» другого диаметра.
Однако в случаях с TSMC и Mitsubishi Materials речь идёт не просто о переходе на прямоугольные пластины, но о существенном увеличении их размеров: до 510 х 515 мм. А это ни много ни мало обеспечивает в 3,7 раза больше полезной площади по сравнению с существующими 300 мм пластинами. Столь серьёзное увеличение выхода чипов с одной пластины должно существенно снизить производственные затраты и привести (по крайней мере теоретически) к снижению цен на эти полупроводниковые устройства для потребителей. Конечно, TSMC не может принять решение о таком переходе в одиночку. Тайваньцам для этого придётся убедить множество поставщиков специализированного оборудования: печей для выращивания кристаллов, фотолитографов, роботов-манипуляторов, машин травления и осаждения. А сколько работы предстоит сделать в области модификации программного обеспечения!
Так или иначе мы скоро узнаем о наличии или отсутствии прогресса в этой области. Если передовики в области производственного оборудования начнут вкладывать серьёзные средства в «квадратные технологии», значит эта идея их увлекла всерьёз. Ну а если нет, то всегда останется возможность перехода в будущем на проверенный временем «круглый» вариант c большим диаметром. К тому же опытные проекты по производству полупроводниковых пластин диаметром 450 мм в прошлом уже прорабатывались. Правда на 450 мм круглой пластине можно производить микрочипов «всего» в 2,25 раза больше, чем на 300 мм. Это, конечно, не в 3.7 раза больше, как в случае с прямоугольной, но тоже очень даже неплохо.
С другой стороны, та же Mitsubishi Materials не ограничивает своё предложение размерами 510 х 515 мм. Возможно также иготовление пластин как меньших размеров: квадрат 300 х 300 мм, так и больших — квадрат 600 х 600 мм. Просто удивительно, что в случае с кремниевыми пластинами Mitsubishi 510 х 515 мм их толщина составляет всего 0,8 мм, что в общем сопоставимо с толщиной стандартных круглых 300 мм пластин (0,775 мм). Каким образом японской компании удалось добиться столь выдающихся характеристик — пока не афишируется.
По опыту прошлых лет переход на новые пластины занимает годы. Так что ещё долго микрочипы будут «печататься» по старинке. Поэтому рассчитывать на скорое снижение цен на полупроводниковую продукцию в связи с переходом хоть на большие круглые пластины, хоть на огромные прямоугольные, потребителям точно не приходится.
