Взгляд изнутри: производство полупроводниковых компонентов в Samsung

Современные цифровые устройства становятся тоньше, умнее и функциональнее, объясняется это инновационным развитием технологии производства полупроводниковых компонентов.

Рынок полупроводников тоже развивается — так, например, за 20 лет, с 1987 по 2017 год, продажи полупроводников выросли в 14 раз. Отрасль особенно отличилась по результатам 2017 года. По данным Ассоциации полупроводниковой промышленности (Semiconductor Industry Association, SIA), мировой объем продаж полупроводников составил $412,2 млрд, увеличившись на 21,6%. Лидерами по темпам роста стали Северная и Южная Америка (+35%), Китай (+22,2%), Европа (+17,1). При этом, согласно аналитике Statista, мировой объем продаж составит $463 млрд по итогам 2018 года и около $483,7 млрд в 2019 году.

Компания Samsung Electronics с 80-х годов стала одним из основных игроков в индустрии.

В статье мы постараемся познакомить вас с полупроводниковыми технологиями, используемыми на корейских предприятиях компании Samsung в Гиюнг (Giheung) и Хвасонг (Hwaseong), на которых была разработана и создана технологическая база современного полупроводникового производства.

Основные тенденции на рынке полупроводников — усложнение схем на фоне совершенствование технологических процессов. Интересный побочный эффект этих тенденций — внедрение современных технологических процессов требует таких трудо- и капиталозатрат, что отрасль вынуждена консолидироваться.

К тому же, не стоит забывать о действии закона Мура, согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Впрочем, на текущий момент этот срок сокращен до 18 месяцев. Заявления о том, что закон перестает работать, с завидной регулярностью появляются в прессе — к примеру, 2020–2022 годы называют завершающим периодом действия закона.

На мировом рынке представлено не так много производителей, которые работают на «передовом» крае технологий и инвестируют в новые разработки. Лидеры по освоению передовых техпроцессов – TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company), Samsung, в какой-то степени Intel, испытывающая однако трудности с внедрением техпроцессов с размером элемента 10 и ниже нанометров (в несколько тысяч раз меньше диаметра волоса человека).

Недавно из технологической гонки выбыла GlobalFoundries, достаточно справедливо рассудив, что расходы на внедрение новых техпроцессов слишком велики и не покрываются доходами — нет такого рынка сбыта. В связи с этим Samsung осталась едва ли не единственной компанией, способной как разрабатывать, так и производить наиболее передовые микросхемы самостоятельно (TSMC производит микросхемы, разработанные сторонними компаниями).

На текущий момент активно развиваются рынки оперативной (DRAM) и flash-памяти (NAND). При этом рынок NAND показывал достаточно сильный рост в силу повышенного спроса как со стороны производителей смартфонов, так и серверов. В 2017 году все производители существенно расширили производство, обогнав рост рынка – по оценке Statista, суммарные инвестиции компаний только в производство памяти типа NAND превысили 18,7 млрд долларов.

Эти действия привели к переходу в стадию перенасыщения рынка и снижению стоимости примерно на 30%. Рынок DRAM характеризуется более удачной ситуацией для производителей, однако дефицит предложения в целом закончился, а вместе с ним остановился и рост цен.

Полупроводниковый бизнес за последнее время достиг больших успехов, что обусловлено растущими требованиями, предъявляемыми обычными потребителями и предприятиями к современным устройствам памяти.

Кроме того, ввиду диверсификации мировой ИТ-индустрии, полупроводниковые устройства стали широко применяться в таких новых отраслях, как IoT (интернет вещей), в производстве автомобилей и системах искусственного интеллекта (AI). Развитие беспилотных автомобилей является одним из основных драйверов рынка полупроводников, который выделяют на глобальном уровне как отдельные игроки, так и организации вроде WSTS (World Semiconductor Trade Statistics).

На наш взгляд, отрасль может ожидать настоящего прорыва в этой области — особенно на фоне интеграции нового стандарта 5G NR и выпуске первых модемов по стандарту 3GPP.

Беспилотные автомобили будут генерировать огромный объем данных в процессе движения и обучения — хранение и анализ такого объёма спровоцирует огромный спрос со стороны автопроизводителей. Помимо этого, при внедрении в ежедневную эксплуатацию, возникнет необходимость в создании сети точек доступа для подключения беспилотного транспорта — для мониторинга их передвижения, передаче обновлений ПО и так далее.

Смещение акцента производства полупроводников в области создания платформ для хранения и обработки больших объемов данных стимулировало инвестиции в создание датацентров, серверных корпоративных систем, инфраструктуры сетевых систем связи и высокопроизводительных компьютеров (HPC, high-performance computing). Эти области применения требуют использования компонентов с высочайшим уровнем производительности, высокой емкости и снижения энергопотребления.

На удовлетворение подобных потребностей направлены такие решения Samsung в области запоминающих устройств, как модули DRAM высокой ёмкости, твердотельные SSD накопители на основе технологии V-NAND и микросхемы памяти с высокой скоростью передачи данных HBM2 (high bandwidth memory). В мобильных устройствах широко применяются бстрые и экономичные решения на основе технологии V-NAND.

Наряду с производством модулей памяти, флагманскими продуктами полупроводникового бизнеса является производство оптических сенсоров на основе технологий CMOS (транзисторов со структурой Металл-Окисел-Полупроводник). В фирменной технологии ISOCELL® сенсоров каждый пиксел окружен физическим барьером, обеспечивающим существенное улучшение качества изображения вследствие устранения перекрестных помех, что позволило уменьшить размеры пиксела.

Требование потребителей по обеспечению в мобильных телефонах качества изображения на уровне зеркальных цифровых камер (DSLR) и включения в телефоны двухобъективных камер стимулировало рост рынка высокопроизводительных оптических сенсоров. Кроме оптических сенсоров, в портфолио полупроводникового бизнеса компании включены микросхемы управления экранами (DDI), мобильные процессоры и коммуникационные решения.

В центре кампуса Гиюнг (Giheung) находится административное здание (слева), а на заднем плане видны здания производственных линий Line 1 (справа) и Line 2, в которых в середине 70-х годов и началась история полупроводникового производства компании. Административное здание и производственная линия Line 2 существуют уже более 30 лет, в то время как производственная линия Line 1 была перестроена с целью модернизации.

Технологии самоуправляемых автомобилей, лежащие на пересечении сфер искусственного интеллекта и автомобильной промышленности, открывают захватывающие перспективы перед индустрией грузоперевозок. В то время как на пути коммерциализации самоуправляемых автомобилей пока ещё стоят технологические и законодательные барьеры, системы, использующие очень похожие технологии, уже успешно работают на производственных линиях Samsung Electronics, выпускающих полупроводниковые элементы.

Здесь широко используются потолочные транспортеры (Overhead Hoist Transport), осуществляющие автоматическую доставку материалов к производственным участкам.

Потолочные транспортеры перевозят полупроводниковые пластины или «вафли» (wafers) — тонкие круглые пластины монокристаллического кремния, служащие основой при производстве интегральных схем. Каждая «вафля» перед тем, как превратиться в готовую микросхему проходит через сотни этапов физической и химической обработки.

Эффективность всего производства во многом зависит от четкости и быстроты доставки пластин к производственным участкам. Чтобы сделать процесс доставки максимально эффективным, транспортеры управляются в автоматическом режиме. После загрузки пластины в специальный контейнер, называемый FOUP (Унифицированный модуль с фронтальной загрузкой) потолочный транспортер перемещает её по цеху, перемещаясь по специальным рельсам, закрепленным на потолке цеха.

Транспортеры двигаются по множеству маршрутов, встречаясь друг с другом в точках пересечений и на развилках путей. Чтобы гарантировать стабильность работы и предотвратить столкновения, все транспортеры и точки пересечений их маршрутов оснащены сенсорами. Когда сенсоры обнаруживают опасное сближение, транспортеры автоматически замедляются.

Более того, как на приборную панель автомобиля выводится текущая информация о состоянии основных систем и дорожной ситуации, так и транспортная система, имеющая множество сенсоров, отслеживает состояние всех компонентов и немедленно информирует оператора, если требуется вмешательство человека для ремонта или замены.

Внедрение автоматизированных транспортных систем значительно повысило эффективность производства. Как хорошо спроектированная дорожная сеть помогает избавить город от пробок, так и автоматическая транспортная система повышает стабильность выполнения технологических операций на сложных производствах, требующих высокой четкости.

Транспортные модули передвигаются по цехам со средней скоростью 5 м/с (18 км/ч) на прямых и 1 м/с (3,6 км/ч) на изогнутых участках. Информация от транспортных модулей по беспроводному каналу передаётся на центральный сервер, на котором система, очень похожая на городскую систему управления движением, строит полную картину логистики на предприятии.

Система управления отслеживает не только все передвижения транспортных модулей, но и собирает информацию о времени прибытия каждого отдельного модуля в точку назначения, гарантируя, что материалы и комплектующие прибывают на производственные участки точно вовремя. Система рассчитывает самые быстрые маршруты и способна контролировать перемещение каждого конкретного модуля.

Почти 23% отработанной промышленной воды, использованной в производстве полупроводников, очищается и заново используется благодаря применению специального водоочистительного оборудования, показанного на фотоснимке выше. Норматив по концентрации загрязнений в отработанной воде на заводе компании на 30% ниже значений, предусмотренных государственными органами, а температура отработанной воды контролируется с высокой точностью для минимизации отрицательного влияния на экосистему, причем излишняя энергия нагретой воды не пропадает даром и также находит применение.

При производстве полупроводниковых компонентов в большом количестве используются различные химикаты, и работа с ними осуществляется при строжайшем соблюдении требований безопасности. Для этого на заводе имеется центральная система обеспечения производства химическими материалами (Central Chemical Supply System или сокр. CCSS). В этой системе хранятся химикаты, которые при необходимости поступают на производство электронных компонентов. Химикаты для промышленного производства хранятся в специальных камерах, оснащенных внутренней вентиляцией с соблюдением всех мер безопасности.

Поступление и выход химикатов в системе CCSS контролируется в реальном времени круглосуточно 7 дней в неделю на предмет обнаружения нарушений в работе, утечек или разлива.

Полупроводниковые компоненты изготавливаются в так называемых “чистых комнатах”, в которых на постоянном уровне поддерживаются такие параметры, как температура, влажность, давление и отсутствие пыли. Такие меры исключают отклонения размеров электронных компонентов, поскольку архитектура большинства современных микросхем формируется с использованием позиционирования элементов в нанометровом (нм) масштабе. Наконец, стабильность параметров атмосферы в рабочих помещениях положительно сказывается на самочувствии персонала.

Учитывая тот факт, что 10 нанометров составляет примерно 1/10 000 (одну десятитысячную) толщины волоса человека, то даже одна частица пыли объемом в несколько кубических микрон может нарушить работу новых микросхем.

Для предотвращения попадания мельчайших частиц пыли в помещение с высочайшим уровнем чистоты атмосферы ("чистая комната"), специалисты надевают специальные комбинезоны (“smocks”), а также проходят обдув воздухом перед входом. В таком помещении даже записи производятся на специальной бумаге с помощью особых ручек.

Технологии полупроводникового производства развиваются исключительно быстрыми темпами, но это не означает снижение требований к ответственности за безопасность использования этих технологий и материалов. Перед началом использования в производственном процессе нового химиката, производится тщательный анализ его физических и химических характеристик, оценивается потенциальная опасность этого вещества для здоровья человека и любые риски, связанные с его использованием.

Эту деятельность осуществляет специализированный «Научно-исследовательский институт здоровья» (Samsung Health Research Institute). Это организация, цель которой заключается в обеспечении защиты атмосферы в производственных помещениях, улучшении здоровья персонала и повышение стандартов здоровья и безопасности людей.

Одним из ключевых условий любого успешного производства является неукоснительное соблюдение требований техники безопасности рабочим персоналом. Более 500 штатных специалистов по технике безопасности ежедневно контролируют производственные процессы и обеспечивают строгое соблюдение нормативов безопасности на предприятих как в Корее, так и на заводах, находящихся в других странах мира.

В каждой команде специалистов, работающих в компании, один из членов команды играет роль "агента по доврачебной помощи в чрезвычайных ситуациях" ("an emergency care agent"). Он отвечает за принятие надлежащих мер по защите здоровья своих коллег в чрезвычайных ситуациях. Такой "агент" регулярно проходит специальный 16-часовой тренинг по методам предоставления доврачебной помощи, включая методику сердечно-легочной реанимации и "прием Геймлиха" для удаления посторонних предметов, попавших в легкие человека.

Кроме того, рабочий персонал обучается методам пожаротушения. Как видно из приведенного выше фотоснимка, вновь принятые на работу сотрудники регулярно, (раз в месяц) проходят специальный инструктаж по действиям в нештатных ситуациях.

На пути четвертой промышленной волны, полупроводниковый бизнес продолжает преодолевать существующие границы и готовится сделать следующий рывок в развитии новых технологий, который радикально изменит нашу повседневную жизнь и сделает ее еще более удобной и комфортной, а также наполнит новыми впечатлениями.