Модернизация производства СВЧ МИС

Монолитные интегральные схемы для сверхвысокого диапазона частот (СВЧ МИС) стали принципиально новой компонентной базой для радиоэлектронных систем и устройств. СВЧ МИС (рис. 1) можно выпускать в больших объемах на серийных полупроводниковых производствах. Эти изделия обладают хорошей воспроизводимостью электрических параметров и высокой надежностью по отношению к ламповой технике [1, 2]. Использование МИС позволяет улучшить характеристики систем, в частности дальность действия, экономичность, чувствительность, скорость передачи данных и т. д.

Рис. 1. СВЧ МИС (источник: www.wolfspeed.com)

Применение СВЧ МИС дает возможность уменьшить массогабаритные и стоимостные показатели радиоэлектронных систем в несколько раз за счет исключения необходимости в проектировании и изготовлении согласующих цепей, которые занимают как минимум 50% СВЧ-тракта, как это происходит в случае дискретных транзисторов.

СВЧ МИС на основе GaAs- и GaN-технологий нашли широкое применение в системах радиоэлектронного оборудования, связи, радиолокации и радионавигации, средствах оптической связи, в автомобильной промышленности (радары), телекоммуникационном оборудовании (передатчики и приемники базовых станций сотовой и спутниковой связи).

Вопрос о модернизации производства СВЧ МИС крайне актуален в настоящее время для российских производителей, т. к. она является одним из главных условий сохранения конкурентоспособности и эффективности предприятий.

Большое распространение получили технологии изготовления СВЧ МИС на основе GaAs и GaN полевых транзисторов с высокой подвижностью носителей (HEMT). Псевдоморфные (pHEMT) и метаморфные (mHEMT) GaAs-технологии обеспечивают наилучший компромисс между электрическими характеристиками МИС и их стоимостью. HEMT GaN-технологии позволяют изготавливать СВЧ МИС с высокой выходной мощностью и повышенной устойчивостью к внешним воздействиям [3].

В настоящее время наблюдается тенденция в освоении все более высоких диапазонов частот, что вызывает необходимость применять новые технологии, особенно при создании гетероструктур, а также уменьшать размеры элементов за счет перехода на меньшие топологические нормы.

Технологии на основе GaAs-структур позволяют выпускать МИС с рабочими частотами до 100 ГГц, а технологии на основе GaN-структур — с выходной мощностью до 100 Вт. Зависимость максимальной мощности от частоты для приборов на основе разных полупроводниковых материалов показана на рис. 2 [4].

Рис. 2. Зависимость максимальной мощности от частоты для приборов на основе разных полупроводниковых материалов

Создание структур МИС — сложный процесс, включающий множество операций: рост гетероструктур посредством МОС-гидридной или молекулярно-лучевой эпитаксии, ионное легирование, формирование топологии элементов субмикронных размеров методами электронной и проекционной литографии, плазмохимические, гальванические и высокотемпературные процессы и т. д. Для успешной реализации этого процесс требуется большой опыт, практические знания с технологической стороны и современное оборудование — с технической стороны.

Особенностью СВЧ МИС является изготовление не только внутри, но и на поверхности подложки в едином технологическом цикле всех элементов схемы, включая конденсаторы, резисторы, индуктивные элементы, межсоединения, воздушные мосты и переходные отверстия. Структура СВЧ МИС [5–7] показана на рис. 3.

Рис. 3. Типовая структура СВЧ МИС

Модернизация отечественного производства СВЧ МИС крайне необходима не только с точки зрения технологического прогресса, но и для экономического роста страны.

Основная доля рынка микроэлектронных компонентов принадлежит странам Юго-Восточной Азии (Китай, Малайзия, Тайвань, Сингапур, Южная Корея и др.) — около 61%; государствам Северной и Южной Америки — 19%; странам Европы и Японии — по 10% (рис. 4).

Рис. 4. Структура мирового рынка микроэлектроники

За последние 10 лет доля государств Юго-Восточной Азии в структуре мирового рынка микроэлектроники увеличилась на 14%, Северной и Южной Америки — на 1%. Напротив, рыночные доли европейских стран и Японии сократились на 6 и 9%, соответственно. По оценкам агентства Frost & Sullivan, в ближайшие пять лет первые позиции в отрасли сохранят за собой Китай, Малайзия, Тайвань, Сингапур, Южная Корея и США. Мировой объем производства микроэлектронных компонентов за 2018 г. составил 369 млрд долл. [8].

По данным Gartner, на долю 25 крупнейших производителей приходятся 75,9% глобального рынка. Среди них — Intel, Samsung Electronics, Qualcomm, SK Hynix, Broadcom, Micron Technology, Texas Instruments, Toshiba, NXP, MediaTek [9]. Доля России в мировом объеме производства микроэлектронных компонентов на конец 2016 г. составила 0,68% [8]; при этом отечественные производители удовлетворяют лишь треть спроса на внутреннем рынке [10].

Основной причиной низких темпов прироста производства микроэлектронных компонентов в России является технологическое отставание. Например, передовые отечественные производители микроэлектроники в настоящее время осваивают 65‑нм технологии на пластинах 200 мм, а в развитых странах уже применяются проектные нормы 16 нм на пластинах до 300 мм, процесс 5 нм проходит этап пилотных партий и в 2020 г. должен быть запущен в массовое производство, намечен переход на пластины размером 450 мм.

Комплексный подход к модернизации производства СВЧ МИС, основанный на многолетнем опыте и взаимодействии с партнерами мирового уровня, который предлагает «Остек-ЭК», позволит отечественной микроэлектронной промышленности обрести технологическую независимость, укрепить научно-производственный потенциал, повысить информационную безопасность и занять новые позиции на мировом рынке микроэлектроники.

Учитывая специфику российского рынка микроэлектроники, от производителя требуется максимальная гибкость: возможность быстрой переналадки производства и способность быстро отработать технологические режимы, обеспечить производство широкой номенклатурой изделий, надежностью, стойкостью к дестабилизирующим факторам и отказоустойчивостью.

Готовое решение, предлагаемое «Остек-ЭК», поможет не только снизить себестоимость серийных изделий, но и реализовать сложные проекты, требующие нестандартных технологических решений, а также избежать ряда технологических и технических проблем, связанных с освоением современных мировых технологий и модернизации существующих.