Русский чип

Тренды
Москва, 29.05.2008
«Русский репортер» №20 (50)
Завод «Микрон» начал выпускать микросхемы по «последней» технологии

На заводе «Микрон» я первым делом попросил показать мне простого оператора производства микрочипов — устройств, встречающихся в каждом мобильнике, кредитной карте, автомобильном двигателе, калькуляторе и вообще почти в каждом бытовом и не очень бытовом приборе. Попросил показать рабочего человека, который расскажет, как обстоят дела на головном предприятии отрасли, в которой наша страна, по общему мнению, давно уже мало что может.

— Как говорит академик Велихов, есть отставание двух видов. Первое — это когда люди знают, что делается за рубежом, но не могут реализовать у себя по, допустим, финансовым причинам. Второе — когда люди даже не понимают, что там делается. У нас всегда было отставание первого типа: мы следили за тем, что появлялось нового — за оборудованием, за процессами, — объяснила мне Ирина Кирюшина, простой рабочий человек, кандидат технических наук, специалист «по химии» на зеленоградском заводе «Микрон».

Речь идет о технологическом отставании отечественной микроэлектроники, которое завод в настоящий момент героически преодолевает. Собственно, и стоим мы у новой линии производства микрочипов с так называемым топологическим размером 0,18 микрон — самым маленьким и передовым в России.

Наверное, все же неправильно говорить, что мы стоим именно у этой линии. Наряженные поверх собственной одежды в синие балахоны без карманов, но зато с застежкой у ворота и в синие же бахилы больнично-аэрофлотовско-стерильной разновидности, мы расположились у стекла, за которым находится «чистая комната» размерами с хороший спортзал. Там каждые несколько секунд обновляется весь воздух, рядами стоят агрегаты, напоминающие огромные застекленные контейнеры, внутри этих агрегатов двигается что-то явно роботизированное, а между шкафами-аппаратами ходят люди, но уже не в балахонах, а в спецкостюмах, респираторах и перчатках.

Идет отладка производства, которое через пару месяцев начнет выдавать продвинутый русский чип миллионами штук.

Теория

Английское слово «чип» переводится как «щепка» или «кусочек». В электронику оно попало из-за технологии производства микросхем: сначала делается одна большая пластина, упакованная электронными элементами, которая затем режется на отдельные части — чипы. Сейчас электронные схемы производят на основе полупроводников, в основном кремния.

История такова. Всю первую половину XX века основным элементом радиоэлектроники (а другой не было) была катодная лампа, или просто «лампа электронная». Промышленность выпускала тысячи разновидностей этих ламп, но в общем-то все они нужны для одной простой цели — управлять электрическим током, усиливать его, включать и выключать по сигналу. Связывая ряды ламп сложным образом, подсоединяя к ним конденсаторы, сопротивления и прочие провода, можно собирать схемы, которые по простым командам человека будут производить сложные действия. «На лампах» собиралось все — от усилителей до телевизоров и первых ЭВМ.

В 1947 году три человека из американской компании Bell Telephone Laboratories: Джон Бардин, Уильям Шокли и Уолтер Браттейн — создали первый транзистор — полупроводниковый прибор, усиливающий электрический сигнал вместо катодной лампы. В 1956 году изобретатели получили за это Нобелевскую премию. Один из них, Шокли, на первой разработке не остановился и еще в 1952 году создал полупроводниковый транзистор совершенно нового типа — так называемый полевой. Именно из таких элементов и состоят сейчас интегральные схемы и в конечном счете вся цифровая электроника.

Любой небольшой чип, например телефонная сим-карта, — это миллионы транзисторов, объединенных в логические цепочки. В них, как и во всей цифровой электронике, используется принцип «все или ничего». То есть они или открывают путь току по микросхеме, или закрывают его. Все это происходит по сигналу, поступающему от других транзисторов, расположенных в той же схеме, и может программироваться, поскольку связки транзисторов обладают памятью — могут оставлять канал для тока открытым или закрытым, пока не поступит сигнал изменить программу.

Выглядит такой элемент просто: на кристалле из полупроводника кремния лежит тонкий слой оксида кремния, свер­ху — металл-проводник. То есть три слоя. Когда на металлический контакт подается напряжение, кремний проводит ток, когда напряжение маленькое — нет и тока через транзистор (или наоборот — это зависит от типа химических добавок).

Только сейчас все это стало невероятно маленьким и плотно упакованным: размеры одного элемента на схеме — десятые доли микрометра, а ведь здесь же, на чипе, расположены и металлические полоски, выполняющие роль проводов, и контакты для «общения» микросхемы с большим миром, то есть кнопками, антеннами, экранами и прочей оснасткой современных приборов.

Постоянное уменьшение размеров элементов на схемах и увеличение их числа еще в 60-е годы предсказал основатель фирмы Intel Гордон Мур. Есть даже закон Мура: плотность элементов в микросхеме удваивается каждые два года. Для любой плотности существует свой так называемый топологический размер. Ходовой размер, допустим, сим-карт — 0,18 микрометров. Это не совсем размер транзистора, но близко к размерам его элементов. В периферийной электронике — принтеры, мобильники, игровые приставки — используются также размеры 0,13 и 0,09. На подходе производство по технологии 0,065 и еще меньше.

До самого последнего времени завод «Микрон» делал 0,8-микронные чипы, что равносильно отставанию от мирового уровня на 15 лет.

Экономика

— Построить «чистые комнаты» — задача, конечно, грандиозная, но не самая главная, — говорит член-корреспондент РАН Геннадий Красников, генеральный директор завода «Микрон». — Потому что, как только ты ее построил, запус­тил, сразу сталкиваешься с рынком.

С Красниковым мы беседуем на заводе, в его директорском кабинете, где два с половиной года назад разрабатывался план перехода на новейшие технологии. Центральным вопросом в плане как раз и было отсутствие рынка сбыта. Дело в том, что в России на тот момент (да и сейчас — прошло всего два года) ничего сверхвысокотехнологичного не производилось — потребителей продвинутых микросхем практически не было. Ведь схема — не готовый продукт, не мобильный телефон и не сим-карта, ее продают не покупателю, а такому же заводу.

С другой стороны, на мировых рынках прочно обосновались пять-шесть крупных фирм — изготовителей чипов для периферийных устройств и десяток поменьше. Они прекрасно справляются с производством микросхем для тех же «симок», автомобильных компьютеров, банковских карт, цифровых телевизоров и всего прочего, где не требуется крупный процессор, но технологии фактически те же, что и в кристаллах для персоналок.

Нельзя сказать, что «Микрон» на тот момент ничего не производил. Напротив, старое, 0,8-микронное производство было загружено до предела, да оно и сейчас загружено: в любых приборах, например телевизионных пультах, диктофонах, радиоприемниках, тех же мобильниках, используются регуляторы напряжения, собранные на таких схемах. Покупает этот продукт у завода в основном Юго-Восточная Азия.

— Это тоже не само собой произошло, — говорит директор. — История такая. До 90-х годов мы были на 100% связаны с ВПК. А я стал директором как раз в то время, когда здесь все менялось, в 91-м году (Геннадию Красникову тогда было 33 года. — «РР»). Если сейчас рассказывать о тех временах, это будет трагедия. Одновременно шли несколько процессов. Смена формы собственности, спад производства, росли долги за энергоносители, инфляция, кредиты под 180%… Электричество вообще могли взять и отключить в любой момент! А электронное производство как мартен: его нельзя останавливать — потом много дней приходится обратно запускать. Но еще в 90-м году мы получили разрешение на экспорт. И тогда же Samsung закрывал свое производство в Южной Корее на переоборудование. Их руководство обратилось к нам с предложением производить кристаллы под маркой Samsung. Это была колоссальная работа. Мне тогда еще министр говорил: «Гена, зачем вы занимаетесь этими маленькими кристаллами? Несерьезно». Я отвечал: «Пусть они маленькие, но сделать выход не менее 95% годных — колоссальное продвижение».

Так, через Samsung завод «Микрон» в первый раз познакомился с такими понятиями, как международные стандарты качества, рынок, с тем, как образуются цены. Параллельно освоил и массовое производство 0,8-микронных схем и несколько лет поставлял продукцию с маркой Samsung и надписью «сделано на “Микроне”». Чипы для часов и калькуляторов. Потом пошли другие заказы, несколько оживился внутренний рынок, а к 2004 году стало понятно, что нужно двигаться дальше. К тому времени «Микрон» уже был головным предприятием ОАО «Ситроникс», подразделения московского холдинга АФК «Система».

С одной стороны, очень хотелось освоить все самое современное, поэтому приняли решение не изобретать велосипед, а закупать технологию и оборудование за рубежом. С другой стороны, как уже говорилось, это «самое современное» нужно кому-то продавать.

Посчитали самый минимальный проект — линию по производству 1500 пластин диаметром 200 мм в день (тех самых, которые затем разрезают на чипы). Получилось, что нужно продать 870 пластин только для того, чтобы не оказаться в убытке. Стали искать, кто бы мог потребить столько внутри России. Не нашли.

— Вот пример, — говорит Красников. — Существует план у властей ввести электронные паспорта во всей России. Считаем: площадь кристалла 12 кв. мм, на одной пластине — 2,5 тыс. кристаллов, потребность в паспортах — 2 млн в год. Делим на 12 — получаем 180 тыс. чипов в месяц, делим на 2,5 тыс. и получаем всего 70 пластин в месяц. А нам нужно каждый месяц продавать не меньше 900!

И завод стал формировать рынок, то есть начал действовать с конца цепочки. Определились с потребителем — решили делать сим-карты, благо АФК «Система» — владелец МТС. Ну, что значит «делать»? Для начала стали покупать уже готовые чип-модули (это чипы с контактами), имплантировать их в пластик. На первый взгляд покажется, что это что-то вроде отверточной сборки автомобилей, но, тем не менее, для такого процесса пришлось создать совместное предприятие с немецким Giesecke & Devrient, которое штампует «симки» для всей Европы, и — главное — освоить технологию перепрограммирования EEPROM. Одну из тех передовых технологий, о которых говорит Красников.

Когда производство вышло на расчетный уровень, «Мик­рон» освоил второй с конца этап: у другой немецкой фирмы, Infineon, купили технологию сборки «чип-модуля», то есть подсоединения чипа к нужным контактам. И стали сами делать исходник для сим-карт. Запустили еще один проект — бесконтактные проездные для транспорта. Помните, примерно год назад в московском метро вместо билета с магнитной полоской стали продавать просто картонный прямоугольник без всяких признаков электроники? Так вот, вся электроника спрятана внутри: в прозрачном кусочке полимера, зажатом между двумя бумажными полосками, находятся запрограммированный кристалл и антенна для связи с турникетом.

Метро покупает 25 млн таких карт в месяц, а «Микрон» потребляет под них 900 пластин с чипами в месяц. Вместе с пластинами для «симок» получается как раз 1500 — то есть рынок завод себе создал.

— Когда мы поняли, что рынок есть, стали создавать «чистую комнату». Провели тендер между Infineon и французской STMicroelectronics, — говорит Красников, — с условием дать нам последнюю технологию. Выиграла этот тендер ST, пятый производитель чипов в мире.

Последняя технология у ST — действующая: во французском Провансе стоит фабрика, и демонтировать ее, понятное дело, французы не стали. Они продали документацию, обучили наших людей, и «Микрон» воспроизвел их фабрику один к одному. Причем на новом оборудовании, купленном у 40 компаний мира, с обслуживанием и поддержкой.

Технологии и люди

В «чистой комнате», куда меня не пускают из-за недостаточной моей стерильности, как рыбы в аквариуме, перемещаются операторы в синем. Впрочем, операторами здесь, в цехе, созданном по образу и подобию производства в славном французском городке Руссе, в основном работают люди с инженерным образованием:

— У нас нет низкоквалифицированных операторов, — говорит Сергей Ранчин, руководитель цеха кристального производства. — Мы в качестве операторов используем инженеров, потому что в перспективе у нас строительство новой фабрики. И мы столкнулись с тем, что специалистов в России — считаное количество. А здесь они выучиваются, осваивают все стадии, потом других будут учить. У нас многие (около 100 человек. — «РР») и во Францию ездили на обучение.

Один из таких сверхквалифицированных кадров — та самая Ирина Кирюшина, моя первая здесь собеседница. Она даже кандидатскую в 90-е защитила по обработке кристалла кремния жидкостями в технологическом цикле, а когда завод начал новый проект, отлаживала режимы работы оборудования, иной раз ездила на его приемку, например в Киото, иногда составляла список того, чего во французских цехах нет:

— Мы установили агрегаты для отмывки частей оборудования. Французы отправляют детали на специализированное предприятие, где их чистят. А в России этого нет…

Мы разговариваем с Ириной и Сергеем втроем, стоя у карты перед входом в «чистую комнату». Карта утыкана логотипами фирм — поставщиков оборудования. Покупка многих аппаратов связана с различными историями.

Например, японская Tell отказывалась организовать поддержку своих машин в России. Тогда французы сообщили японцам, что откажутся от закупок, и Tell в конце концов открыла у нас представительство.

А из США в прошлом году даже приезжала делегация от Госдепартамента — проверять, не будут ли на «Микроне» использовать установки для плазменной имплантации в целях производства чего-нибудь военного. Без этих установок, кстати, технология 0,18 и ниже в принципе невозможна.

— Скажите, — спрашиваю я, — если вы покупаете оборудование в 40 странах мира, то какой смысл имеет выражение «купили технологию у ST»?

— Режимы, — отвечает Ранчин. — В производстве кристалла сотни процессов, и у каждого своя температура, газовая среда, время… В общем, режимы.

В самом общем виде то, что происходит в цехе кристального производства, можно описать так.

Берется большая круглая пластина (200 мм) из кремния. Это подложка, основа для формирования на ней сотен миллионов транзисторов, связанных в уникальную логическую схему. (Собственно, в каждую машину загружают не одну пластину, а целый блок в герметичном боксе.)

Пластину сначала окисляют. Затем в нужных местах окисел снимают химической обработкой. Там, где будут транзисторы, напыляют металл контактов. Это приблизительное описание. На самом деле с кремниевой пластиной делают множество операций. Например, ионной пушкой внедряют ионы фосфора в области размеров в десятые доли микрометра…

Или еще: поверхность пластины покрывают слоем вещества, чувствительного к ультрафиолету, затем засвечивают это вещество и смывают отовсюду, кроме засвеченных участков. Потом напыляют металл, чтобы сформировать «провода» между отдельными элементами схемы, зачем-то нагревают в азоте и так далее… Пересказывать книгу Красникова «Конструктивные особенности субмикронных МОП-транзис­то­ров» или лекцию Сергея Ранчина, прочитанную мне у «чистой комнаты», наверное, здесь не имеет смысла, хотя лично я слушал бы Ранчина часами.

— А почему вас, выпускника МИЭТа (Московский институт электронной техники, расположен в Зеленограде. — «РР») 97-го года, понесло в том же 97-м на это производство? — в не самой корректной форме задаю я вопрос Сергею.

— Я понимал, что здесь перспективы. Ну да, тогда были проблемы, и зарплату, бывало, не платили, но я видел, что есть возможность роста. Ведь когда я пришел, здесь были всего три молодых специалиста…

Люди и технологии

— Через три месяца после того, как человеку подняли зарплату, он обычно про это забывает и начинает ждать следующего повышения, — говорит Красников. — А чтобы человек работал, нужно соблюдать условия: современная достойная задача, современное рабочее место, социальные гарантии. И все-таки зарплата.

Любой чип, например телефонная сим-карта,  — это миллионы транзисторов, объединенных в логические цепочки. В них, как и во всей цифровой электронике, используется принцип «все или ничего»

— Какие достойные задачи вы планируете на будущее?

Насколько я понимаю, вот эта технология, 0,18, уже сейчас не самая последняя. Та же ST работает по 0,13–0,09 и испытывает топологический размер 45–65 нанометров.

— Мы сделали рывок с 0,8 до 0,18 микрометра. В начале следующего года у нас будет 0,13 — это быстро делается, на том же оборудовании. У нас есть договоренность с ST, что технологии они нам передадут. Затем на том же оборудовании — 90 нанометров. А вот под 65 нанометров уже нужен новый завод. Чтобы не потерять темп и снова не отстать, мы должны принять решение о его строительстве уже в этом году, ведь с начала строительства до начала работы завода проходит 2–2,5 года. Я считаю, что задача государства здесь — формировать рынок. Если будет рынок цифрового телевидения, приборов для ГЛОНАСС, электронных документов и так далее, то и производство будет.

Фотографии: Варвара Лозенко для «РР»

Микроэлектроника в России. XXI век

  • $25–35 млрд. В такую сумму оценивается объем рынка электроники в России.
  • $1,5 млрд в год — таков объем внутреннего спроса на микро­электронные компоненты при кратном потенциале роста в ближайшей перспективе.
  • Свыше 30 крупных компаний в России занимаются проектированием уникальных цифровых микросхем. В отсутствие современных микроэлектронных фабрик в стране они вынуждены размещать заказы на Западе, экспортируя интеллектуальную собственность.
  • 90–95% микроэлектронных компонентов ввозится из-за рубежа.
  • 90–65 нм — на таком уровне технологий сегодня работают ведущие мировые производители микроэлектроники. Большинство российских участников рынка используют устаревшие технологии 1,5–1 мкм (1500–1000 нм).
  • В 2009 году завод «Микрон» перейдет на технологию 90 нм.
  • 58,43 млрд рублей потребует проект перехода на уровень 65–45 нм.

У партнеров

    «Русский репортер»
    №20 (50) 29 мая 2008
    Зарплаты
    Содержание:
    Фотография
    От редактора
    Вехи
    Репортаж
    Путешествие
    Случаи
    Фотополигон
    Реклама