Коммерческая нанотехнология

На данном форуме существует замечательный интерес к современной полупроводниковой (п/п) технологии и попытки разобраться, на каком этапе находится зеленоградский Микрон, российская кремниевая микроэлектроника, возможно ли «догнать и перегнать» запад в этой области хайтека (нам во многом понравилась статья habrahabr.ru/post/218171, мы продолжаем рассуждения на эту тему, даем некоторые ответы и уточнения на изложенные в ней сведения). В этом тексте мы приведем мнение человека, который 20 лет работал в американской п/п индустрии и несколько лет назад пытался вернуться в РФ и поделиться своим опытом и знаниями с российскими коллегами. Важно то, что он хорошо знает обе стороны и российскую, и американскую.

Давайте сразу разделим задачи. Для начала оставим за скобками военную тематику, п/п-электронику для военных задач, применений, заказов. Там есть свои особенности.

Начать следует с определения. Что же такое коммерческая нанотехнология? Это экономически рентабельное, крупносерийное (миллионы штук) производство изделий, содержащих в себе наноразмерные элементы с заданными свойствами. Например, современные полупроводниковые чипы, каждый из которых содержит миллиарды наноэлементов с критическими размерами в несколько десятков нм, сформированных с воспроизводимостью в несколько нм и измеренных с суб-нанометровой точностью. Таким образом, технологии – это не только способ производства или 'knowhow', но и высочайшая воспроизводимость, высокий процент выхода годных изделий (в п/п индустрии в конкурентной ситуации этот процент как правило выше 90%), конкурентно низкая стоимость изделий.

Умение изготовить единичные образцы еще не является технологией. В противном случае, можно сказать, что многие университеты Канады или Америки обладают технологией 10 нм и меньше. Как же так? Да, в их лабораториях могут сделать интегральную схему из нескольких десятков транзисторов с критическим размерами нескольких нанометров. Есть университеты, в которых уже многие годы создают работающие на CNT(Carbon Nano Tubes) транзисторы и т.д. Но никому и в голову не придет называть это 'технологией’. Так и скажут 'сделали работающий транзистор на CNT’ или 'построили логический элемент & на базе CNT транзисторов’. Причем здесь технология? Это только первый шажок на пути к технологии. В мировой практике это называется ‘research’. За 'research' следует R&D. За R&D следует 'productization’. За 'productization’ следует 'fanout’ (размещение технологии на нескольких фабриках и увеличение объема производства). После успешного завершения всех этих по-своему сложных и трудоемких этапов можно говорить о создании 'технологии'. Многие специалисты считают, кстати, что 'research’ далеко не самый сложный (или дорогой) элемент этой цепочки.

Посмотрим теперь на базисные элементы технологии. Ведь именно создаваемые в процессе изготовления наноразмерные элементы, в конце концов должны обеспечивать требуемые электрические свойства изделия. В полупроводниковых микросхемах этими элементами являются транзисторы, а критическими размерами технологии, как правило, являются близкая к размеру затвора транзистора половина периода первого уровня металла (half pitch of MET1) или, другими словами, половина минимального периода доступного для литографии. Таким образом минимальный период МЕТ1 интегральной микросхемы технологии 65 нм будет близок к 130 нм. С точки зрения литографии (а значит, и технологии вообще) важен именно минимально достижимый период, а не размер затвора транзистора (как иногда утверждают некоторые п/п компании). Используя различные трюки процессинга (например, вариации дозы фотонов при литографии или дополнительное травление материала затвора), можно получить практически любой размер затвора при фиксированном периоде литографии. Авторам известны примеры, когда номинальный размер затвора технологии 65 нм был равен 40 нм, а при этом минимальный достижимый период литографии того времени был равен 130 нм. Такой подход не позволяет изменить плотность упаковки транзисторов микросхемы, но полезен для улучшения электрических характеристик транзистора и, значит, изделия.

В качестве примера мы можем использовать опубликованные микрографии транзисторов изготовленных на заводе Микрон (см. Fig. 1 или habrahabr.ru/post/213373). Принимая, что размер затвора равен 54 нм (как следует из данных самого же Микрона), можно без труда измерить период структуры, который равен 190 нм. Таким образом, данная структура является представителем технологии 95 нм, но не 65 нм. Это не удивительно, так как известно, что данная структура была изготовлена на литографическом оборудовании технологии 90 нм (минимальный достижимый период 180 нм). Как сказано ранее, Микрон не единственная п/п компания, которая оценивает технологию по размеру затвора. Многие именитые компании делают то же самое в погоне за славой лидера технологии.
<img src="" alt=«image»/>

Figure 1. Микрография транзисторов технологии «65 нм» изготовленых на заводе Микрон. Размер затвора = 54 нм. Период = 190 нм. [Mikron: Период=2.71 a.u.*54 nm / (2*0.38 a.u.)= 190 nm, где 'a.u.' (arbitrary units) это размер стрелок в дюймах.

Данное выше определение нанотехнологии следует воспринять серьезно и очень внимательно, не упуская ни одной детали. Это существенно потому, что такое определение или, точнее, понимание, принятое международным сообществом, существенно расходится с принятым и существующем на «интуитивном уровне» в РФ, где под технологией понимается лишь способ изготовления изделия (последовательность определенных операций для изготовления изделия). По такому еще советскому определению технологией называлось (и называется до сих пор) производство «самых больших в мире больших интегральных схем» (была такая шутка в 70-е) с выходом годных < 0.1 % (а вот это уже не шутка). Такое понимание технологии царит в головах высокого российского руководства, которое принимает решение на развитие и финансирование отрасли, это существенно. Давайте такую практику «мы за ценой не постоим» наличия неких производственных процессов с выходом годных в единицы процентов признаем возможной в военном производстве (но нежелательной даже и там) и не будем называть ее технологией. Точно так, как не будем называть технологией и изготовление единичных образцовпрототипов. Только воспроизводимый, массовый, экономически выгодный, конкурентный серийный выпуск изделий (см. определение, данное выше) может называться технологией.

История российской науки и техники такова, что технократы никогда системно не были включены в элиты. Истинные причины этого, скорее всего, политэкономические. Просто не было в истории России продолжительного периода капитализма, свободного предпринимательства, а именно он «дружит» с технологиями, нуждается и воспринимает их. Попытки создать технологию из-под палки можно признать удачными только в околовоенных отраслях (атомная промышленность, космические технологии). Поскольку со становлением этих отраслей есть некое понимание и опыт, то позволим себе некие сравнения в плане их организации. Тем более, что финансирование отрасли у нас осуществляется по-советски централизовано, что бы там ни говорилось о частных инвестициях отдельных олигархов. Причина этого верно указана («habrahabr.ru/post/218171) в сравнительном анализе простого «купи-продай» и высокотехнологичного бизнеса. Поэтому в современной России принужденный верховным начальством к «наноэлектронной повинности» олигарх, инвестируя свои средства в частно-государственную хайтек программу, ревниво относится к более простому и прибыльному бизнесу своих друзей по клануклассу и уравнивает прибыльность путем коррупционного умыкивания госредств из программы. Это общая практика, насколько нам представляется.
Выпуск современных п/п микросхем уже в запущенном-налаженном варианте – это многоступенчатый, строго регламентированный, чувствительный к отклонениям процесс, состоящий из тысяч сложнейших операций. Например, отклонение более 10% в критических размерах одного из миллиарда транзисторов может привести к сбою работы всей элетронной схемы. Брак. К такому сбою может привести незначительное отклонение физико-химических условий любой из этих тысяч операций. В этом случае в брак может уйти вся партия подложек прошедших проблемный процесс, а это сотни тысяч чипов брака, это выброшенные материалы, электроэнергия, рабочее время, срыв ожидаемых поставок, то есть огромные потери. В этом смысле поточное производство многократно сложнее и ответственнее штучного.

Можно ускорить создание высокотехнологичного продукта, заимствуя, покупая или добывая развед-путем описание процессов его производства в развитых странах. Но в любом случае нужно иметь достаточную по численности и качеству собственную квалифицированную команду (кадры), инфраструктуру, необходимое оборудование и материалы (а значит, смежные отрасли). Это тяжелая, небыстрая и очень ресурсоемкая задача. Запуск каждой из технологий (180, 130, 90, 65, 45, 32 нм) в мире потребовал привлечения тысяч квалифицированных спецовэкспертов в составных компонентах технологии, материаловедении, метрологии, схемотехнике, и так далее. Каждый раз это были люди, уже имевшие опыт таких запусков технологии. Эти люди имели безукоризненную инженерную поддержку, возможность мгновенной доставки любого необходимого оборудования и материалов. При этой идеально организованной работе на ее обеспечение требовались миллиарды долларов и около 2-3 лет работы такого коллектива над каждой из технологий. И когда мы слышим очередную новость о запуске 90-нм технологии в Зеленограде, то возникает законное сомнение или необходимость веры в чудо. Сомнение потому, что без помощи этой опытной группы спецов с запада запуск современной коммерческой п/п технологии практически невозможен. Ну, а вера в чудо – это свойство русской души.

В истории становления прорывных атомной и космической отраслей в СССР особо важную роль сыграли личности руководителей, Курчатова и Королева, которые непосредственно взаимодействовали с заказчикомхозяином, принимающим решение по финансам и иным ресурсам. Продавливали нужные решения своим авторитетом, спорили, доказывали, убеждали. А не так, как сейчас, когда между техническим руководством проекта и главным представителем заказчика стоят тормозящие слои технически безграмотных чиновников, экономистов и финансистов. Безусловно, еще одно важное отличие от сталинской эпохи – наличие мощной коррупции, это вносит сопротивление движению к цели, и часто это трение становится абсолютной помехой, полностью тормозит процесс. Сказанное в этом абзаце – не оправдание «эффективного менеджмента» Сталина. Просто наша система внешне трансформировалась, но по сути управляется теми же методами. Поэтому либо ее надо рушить, как тормоз хайтеку, либо из соображений дела хотя бы использовать указанные способы из прошлого.

Если у вас есть ракета ФАУ-2, то вам еще очень далеко до полета на Марс. Если у вас имеется технология 250 нм, то вам не удастся одним рывком перепрыгнуть все ступеньки (180 нм, 130 нм, 90 нм, 65, на, 45 нм, 32 нм..) и сразу запустить, скажем, 22 нм. Это безумные сказки, полагать, что такое возможно. Вообще, в точных науках и в технике, надо обходиться без лжи и преувеличения достижений. Характерная ложь – рапорт о запуске технологии, когда получены единичные образцы. Или выдавать за свои достижения сделанные в кооперации с Китаем изделия, в которых всю значимую нанотехнологическую часть сделали китайцы. Ну, и многое, многое другое… Трубить о достижениях у нас любят и умеют. О запуске на Микроне технологии 65 нм сообщения в прессе появляются довольно регулярно и каждый раз, как первичное сообщение.

Итак, давайте обсуждать реальные дела. В РФ актуальной (запускаемой или отлаживаемой) является технология 90 нм. Разговоры о 22 нм или 3D-микросхемах – это фантастика. Их можно вести только в теоретическом ключе, в порядке повышения своего технического кругозора.
Но не надо задуривать себя. Признание статус-кво это важная часть постановки задачи. А грамотная постановка задачи – путь к ее решению.

Особенности Российского рынка нанотехнологий

Еще один важный аспект. Выше мы по сути определили нанотехнологию через рынок. В РФ неоднозначная ситуация с этим. Потребительский рынок в РФ на компьютеры+смартфоны+… существует, да… Но что-то не видно отечественного товара, полностью произведенного своим нанопромом. На какой сектор нацелена продукция Микрона? Руководитель Роснано не сильно понимает в технологии, физике и т.п. Но ему не откажешь в том, что он смело и глобально умеет воздействовать на российский рынок. Просто своими руками его формирует. Ну, все помнят ваучерную приватизацию, сделавшую (?) всех (?) собственниками (?) в один прекрасный миг. Все три вопроса в скобках требуют осмысления. Так вот, примерно так же создается рынок сбыта для продукции российского нанотеха. Насколько мы понимаем у Микрона есть большой возобновляемый заказ от московского метрополитена: карточки с вклеенными RFID чипами, заменившие прежде успешно применявшиеся жетоны и пятачки. Невзирая на массовость, большую возобновляемую ёмкость, этот сектор рынка не является открытым, конкурентным. Ну не может IBM или Intel предложить свои чипы московскому метро, даже если их продукция лучше и дешевле. То есть это специфический заказ, имеющий картельные признаки. Следующая глобальная идея г-на Чубайса была представлена на Роснанофоруме-2010 (или 2011??). Заменить повсеместно в стране штрихкодовую маркировку товаров электронной, с помощью RFID маркеров, «вшитых» в каждую упаковку с товаром. Оставим в стороне радости учета-контроля от такого нововведения, они существуют. Но заметим тот же «фирменный» подход принудительного формирования потребления. Построили население и навязали ему хайтек-продукт за его деньги, не спрашивая. Попытки такого подхода были и с планшетами для школьников и др. Почему это важно для нас отметить? – потому, что по сути такие заказы не отличаются от военных, например, навигаторов или раций для военных. Итак, найдите «честную» продукцию Микрона, которая конкурирует с мировой на свободном рынке и сравните потребительские и экономические характеристики. Мы пока не можем этого сделать, не находим…

Дальше мы хотим поговорить об индустриальной метрологии в нанотехнологиии применительно к устоявшимся 180-32 нм технологиям. Для меньших масштабов 28-11 нм развиваются и применяются новые инструменты и методики – туда мы сегодня не станем углубляться. Индустриальная метрология обеспечивает измерения критических параметров изготавливаемых структур и их элементов, используемые как в ходе производства, in-line контроль процессов, так и иные, включая электрическое тестирование продукции на выходе (например, wafer acceptance testing). Сосредоточимся на in-line контроле. Это тот ключ, который позволяет поднять количество и качество годных изделий. Контроль практически осуществляется после каждой операции, которая может привести к изменению топологических размеров элементов на подложке. Некоторые операции (например, все операции с фоторезистом) при обнаружении размерного несоответствия или, например, неудовлетворительной адгезии могут быть переделаны, повторены. Контроль элементов осуществляется выборочно в разумном предположении об идентичности элементов, создаваемых в идентичных условиях. Выборка тест-объектов, их расположения на подложке, статистическая достоверность мониторинга,… и многое другое – это тоже сложнейшие технически и концептуально процедуры. При этом in-line контроль не должен задерживать поток подложек по производственной линейке (создавать узкое горло) и должен быть достаточно простым для оператора (а в идеальном случае полностью автоматизированным). Контроль критических размеров элементов микросхем является одним из наиболее важных метрологических процессов современной наноэлектроники. Главным инструментом для контроля критических размеров на сегодня является сканирующий электронный микроскоп, СЭМ. Он позволяет делать такие измерения бесконтактно с достаточной скоростью и точностью (хотя для некоторых приложений предельная точность СЭМ в 3-5 нм может оказаться не вполне удовлетворительной). Существуют сложности с интерпретацией результатов измерений СЭМ для критических размеров объектов < 100 нм (проблема связана с определением истинного положения края линии или стенки траншеи). Для точного измерения размеров наноразмерных элементов должны применяться специальные способы калибровки или коррекции СЭМ (»www.gcrm.info/Home/publications-1). Пренебрежение этими методиками может вызывать воспроизводимые ошибки и серийный брак. Неточность (или bias) измерения критических размеров с помощью СЭМ меняется с геометрией объекта, общей топологиией структуры и физико-химическими свойствами материалов. Мировая п/п индустрия в начале века столкнулась с этой проблемой и переболела ей. Серьезные попытки реализовать 90 нм и особенно 65 нм производство в РФ должны учитывать этот опыт.

Здесь мы видим некоторые препятствия, местный колорит, так сказать. Любые измерения сводятся в итоге к процедуре сравнения измеряемого объекта и некого эталона, стандарта. Так вот, национальный российский стандартный образец размера для интересующего нас масштаба в несколько десятков нм и гост-инструкции (методика) по его применению для калибровки СЭМ имеют серьезные проблемы и созданы без учета указанных выше важных моментов. Отметим, что речь может идти об ошибках в определении критических размеров элементов интегральных схем в несколько нм, сравнимых с допусками технологий 90 и 65 нм (как правило, допуски критических размеров близки к 10%). Как известно, неопределенность измерений(measurement uncertainty) не должна превышать 10-15% от контролируемых метрологией отклонений размеров (или допуска). См. например ‘Handbook of Silicon Semiconductor Metrology’, ed. Alain Diebold, 2001. Таким образом, неопределенность измерений обычно составляет 1-2% от критического размера технологии (0.9-1.8 нм и 0.7-1.3 нм, соответственно, для 90 нм и 65 нм технологий). Как мы видим теперь, предельная точность СЭМ измерений (sample-to-sample bias variation компонента), равная 3-5 нм превышает бюджет метрологии технологий 90 нм и 65 нм и, следовательно, недопустима. Для специалистов метрологов заметим, что так называемая sample-to-sample bias variation является (непредсказуемой) частью неопределенности измерения (measurement uncertainty) СЭМ и не может быть скорректированна как систематическая ошибка. В случае активного контроля процессов(или APC) при изготовлении п/п интегральных схем неопределенность измерений в равной степени с вариациями самих процессов отражается на итоговой вариации контролируемых параметров. Таким образом, 'плохая' метрология равносильна 'плохому' процессу и 'плохой' технологии, в конце концов. Пренебрежение метрологией недопустимо.

В РФ существует масса институтов, которые создают, воспроизводят и хранят стандартные образцы различных величин. При начале индустриального производства нанопродукции безусловно необходимо иметь надежно сверенный с международным стандартом, свой, государственный стандарт, на основе которого могут изготавливаться стандартные образцы различных предприятий (Микрона и т.п.), используемые для калибровки метрологии критических размеров конкретного производителя и технологии.

Закончить хотелось бы на позитивной ноте. Мы знаем, что в России существуют институты, предприятия, центры, где делаются попытки реализации разного рода п/п проектов. Мы надеемся, что при благоприятном стечении обстоятельств эти имеющиеся в РФ центры роста технологий с умными и честными лидерами, устремленными на реальные дела в нанотехе смогут перерасти в полномасштабные п/п фабрики. Только нужно помнить, что для этого потребуются десятилетия упорного труда лучших российских инженеров и ученых, и непрекращающаяся финансовая поддержка этих проектов государством, а также конструктивные деловые отношения с развитой в технологии частью мира с целью учебы, поддержки, помощи.

Автор: Doctor_NANO

Источник