Evolución de los Semiconductores: Pasado, Presente y Futuro – Preguntas y Respuestas con Experto

Fabricación de Semiconductores: Pasado, Presente y Futuro – Una Preguntas y Respuestas con el Consultor de la Industria Carl White

La Ley de Moore, un concepto presentado por primera vez por el cofundador de Intel, Gordon E. Moore, en 1965, predecía que el número de transistores en un circuito integrado (o microchip) necesitaría duplicarse cada dos años mientras el costo de la computación se reducía hasta la mitad, lo que conduciría a un crecimiento exponencial en la potencia de computación. La industria de semiconductores ha trabajado arduamente para mantenerse al día con este paradigma, pero proporcionar constantemente más potencia de procesamiento en menos espacio no es fácil, especialmente cuando los competidores buscan el mismo objetivo y la demanda del consumidor por tecnología avanzada es constante.

Gracias en gran parte a la Ley de Moore, "¡Siento la necesidad... la necesidad de velocidad!" puede sentirse más como una descripción de la vida diaria en la industria de semiconductores que una cita retro de Top Gun. Este fue uno de los muchos puntos clave de nuestra reciente conversación con el veterano de la industria Carl White, consultor principal de ingeniería en C.L. White Engineering Services, LLC. Después de pasar casi 40 años trabajando en empresas a lo largo de la cadena de suministro de la industria de semiconductores, Carl ofreció una gran perspectiva sobre la necesidad incesante de velocidad, tanto en desarrollo como en potencia de procesamiento. Siga leyendo para descubrir lo que dijo sobre lo que se requirió para innovar lo suficientemente rápido como para mantenerse al día con la Ley de Moore en el pasado, qué desafíos enfrenta la industria de semiconductores actualmente y qué podemos esperar ver en el futuro cercano.

Punto de Referencia Swagelok (SRP): Gracias por acompañarnos, Carl. ¿Puede comenzar contándonos un poco sobre su trayectoria?

Carl White: Soy nativo de Arizona y estudié gestión de tecnología industrial e ingeniería mecánica en la Universidad Estatal de Arizona antes de comenzar mi carrera en ASM, el OEM de herramientas de procesamiento de semiconductores, en 1982. Desde allí pasé a trabajar en Spectrum CVD, que en ese momento era propiedad de Motorola; Materials Research Corporation, que eventualmente se convirtió en parte de Sony; Tokyo Electron, también conocido como TEL; y eventualmente Applied Materials. He pasado 28 de mis 38 años en la industria de semiconductores trabajando dentro del espacio OEM y los otros 10 años para un fabricante de chips, el Grupo de Productos Semiconductores de Motorola. Me jubilé de ASM el año pasado después de pasar los últimos 15 años trabajando en tecnología ALD (deposición de capas atómicas). Ahora consulto con empresas en la industria.

SRP: Parece que tiene una perspectiva interesante, habiendo trabajado extensamente en los lados OEM de herramientas y fabricantes de chips de la industria. ¿Qué le impulsó a pasar su carrera haciendo esto?

CW: Es una industria de ritmo muy rápido. La tecnología cambia constantemente y eso requería creatividad y aprendizaje continuo para aquellos de nosotros que trabajamos en el espacio. ¡No había oportunidad de aburrirse! También era emocionante ver cómo los diseños en los que trabajé impulsaban el cambio, ya que la tecnología de semiconductores es importante en casi todas las demás industrias.

SRP: ¿Qué meta-tendencias ha visto impulsar la evolución de la industria de semiconductores?

CW: Al principio, fue el programa espacial. Más tarde, fue la tecnología de consumo. Pasamos de usar reglas de cálculo a calculadoras de mano, a computadoras personales, a teléfonos inteligentes, y eso fue posible gracias a la evolución de la tecnología de semiconductores. Ahora estamos viendo la aparición de la IA y los vehículos autónomos impulsando el cambio. La única constante ha sido la necesidad de producir productos y transmitir información más rápido. Se requiere constantemente nueva tecnología de semiconductores para satisfacer la demanda de más potencia de computación.

También está el impulso que proviene de la competencia por el liderazgo en la innovación de semiconductores. No es solo competencia entre empresas, sino algo que ocurre a escala global. Con el tiempo, diferentes países han liderado el desarrollo de tecnología de semiconductores, y esos cambios dinámicos a veces conducen a una mayor colaboración a nivel de la industria. Por ejemplo, 14 empresas de semiconductores con sede en EE. UU. se unieron al gobierno de EE. UU. en 1987 para formar SEMATECH, el consorcio de fabricación de chips, en un esfuerzo por mejorar la calidad de los chips que producían para competir mejor en el mercado global. Eso aceleró el avance en la industria de semiconductores en EE. UU. En ese momento, muchas empresas intentaban hacerlo todo: diseñar, fabricar y vender tecnología de chips. Aprendieron a especializarse, lo que llevó a la creación de fundiciones que fabrican chips para otras empresas, ayudando a agilizar el avance de la industria también.

SRP: ¿Puede explicar la relación entre la densidad de chips y la evolución de la tecnología de semiconductores y la electrónica que impulsó? ¿Cómo ha afectado eso a los equipos y componentes necesarios para producir chips?

CW: La miniaturización es una necesidad constante para mantenerse al día con la Ley de Moore. Para obtener más transistores en los chips, necesita hacerlos cada vez más pequeños. También tiene que ajustar el equipo para alinearlo con los avances en el proceso de fabricación. Un punto de inflexión importante fue a finales de los 90, principios de los 2000, cuando la industria pasó de obleas de silicio de 200 mm a 300 mm como base para los chips; esto requirió cambios importantes en la fabricación y las herramientas. El desarrollo de compuertas de alto-K (constante dieléctrica) para transistores de 45 nm (nanómetro) que permitían menos fuga de electrones fue otro gran paso en la búsqueda de la miniaturización por parte de la industria. Tuve la suerte de trabajar en el desarrollo del equipo que Intel usó para producir estos, así que el cambio fue emocionante de presenciar. Ahora, para ponerlo en perspectiva, las empresas están trabajando en la producción de chips de 5 nm.

En general, hemos visto empresas intentando moverse a nodos de proceso más pequeños, lo que significa la fabricación de tamaños de característica de tecnología de semiconductores más pequeños en un esfuerzo por crear transistores más pequeños, más rápidos y más eficientes energéticamente, tan rápido como cada 18 meses. Esto supera la predicción de la Ley de Moore (moverse a nodos de proceso más pequeños cada dos años) porque eso es lo que están haciendo los competidores.

Los fabricantes de semiconductores les dicen a los OEM de herramientas lo que quieren lograr en cuanto al rendimiento del chip y qué procesos de producción probablemente requerirán. Los OEM trabajan en la fabricación de equipos de producción que puedan permitir ese tipo de rendimiento, y al hacerlo, trabajan con empresas como Swagelok para encontrar componentes existentes o colaborar en la ingeniería de nuevos componentes para permitir sus herramientas. Esta colaboración es crítica si las empresas de semiconductores van a mantenerse al día con la velocidad de la innovación, ya que ayuda a los OEM a recibir los componentes que necesitan hoy y ayuda a los fabricantes de componentes a anticipar las necesidades futuras de la industria.

SRP: ¿La demanda del mercado por aplicaciones electrónicas específicas impulsa la innovación en semiconductores, o el avance de la tecnología de chips suele prevenir la demanda del mercado?

CW: Puede ir en cualquier dirección. A veces, la presión general para evolucionar constantemente la tecnología de semiconductores puede llevar a avances antes de que el mercado sepa qué hacer con la tecnología. Por ejemplo, en los años 90, las capacidades de computación avanzaban rápidamente, pero el conocimiento y las habilidades de software requeridas para utilizar toda la potencia de la tecnología de chips eran deficientes, por lo que las aplicaciones se rezagaron detrás de las capacidades de procesamiento. Pero en otros casos, puede haber presión para permitir que las aplicaciones existentes hagan más; vemos eso más ahora con la necesidad de permitir más procesamiento de datos y aplicaciones de IA.

Fundamentalmente, hemos visto tres eras de demanda. Desde los años 60 hasta los 80, todo trataba sobre permitir computadoras y equipos de cálculo. Teníamos miles de transistores en chips entonces. A partir de los años 80, vimos un cambio de énfasis hacia permitir tecnología móvil como portátiles y teléfonos móviles. Teníamos millones de transistores en un chip para entonces. En la última década, la transferencia y almacenamiento de datos está impulsando la demanda a medida que creamos tecnología más conectada (con el auge del Internet de las Cosas y dispositivos inteligentes que alimentan interacciones sociales las 24 horas) y centrada en datos (con tendencias como Big Data y aprendizaje automático creando demanda).

SRP: ¿Cómo ha afectado la demanda continua de chips más pequeños pero más potentes a los requisitos de rendimiento de los componentes de sistemas de fluidos utilizados en la fabricación de semiconductores?

CW: El cambio en la geometría de los chips de semiconductores a lo largo del tiempo ha impulsado la necesidad de diferentes productos de sistemas de fluidos utilizados en el proceso de fabricación de chips. Especialmente a medida que los transistores se han vuelto más pequeños, es crucial evitar la contaminación en el procesamiento, ya que esto puede afectar los rendimientos y la fiabilidad del chip. Se deben evitar procesos no controlados y contaminación de componentes. Como resultado, la industria pasó de válvulas de fuelle (mayor vida útil de ciclos) a válvulas de diafragma (históricamente más limpias) que tienen menos "espacio muerto" y volumen de gas contenido, así como menos piezas móviles.

Ahora, con el lanzamiento reciente de la válvula Swagelok^® ALD20, estamos viendo el beneficio de la alta capacidad de flujo que proviene de una válvula de fuelle que aún ofrece el rendimiento de ultra-alta pureza (UHP) necesario en la fabricación moderna de semiconductores. Esto fue posible en parte porque las técnicas de fabricación han mejorado con el tiempo, y porque también tenemos acceso a materiales mejorados, acero VIM-VAR de alta calidad y aleaciones resistentes a la corrosión, por ejemplo. También se emplean mejores técnicas de acabado, como electropulido y pasivación, así como mejores pruebas antes del lanzamiento de productos que antes. En el pasado, he visto algunas empresas correr hacia la meta para lanzar una tecnología primero, pero no calificaron bien sus componentes, y eso nos causó problemas. Es importante saber que los productos funcionarán fuera de la caja como se promete en el espacio de semiconductores; componentes en los que se puede confiar para ser consistentes y ofrecer un rendimiento repetible son críticos.

SRP: Similar a una pregunta anterior, ¿siempre ha sido la tecnología de válvulas cambiando para permitir nuevos procesos de producción de chips, o el progreso de la fabricación de semiconductores ha impulsado las innovaciones en sistemas de fluidos?

CW: Los cambios en el proceso de fabricación de semiconductores definitivamente han jugado un papel en definir lo que necesitamos de las válvulas UHP y otros componentes de sistemas de fluidos. Cuando fabrica microchips, típicamente está recubriendo una oblea cristalina, silicio, por ejemplo, mediante una secuencia de dosis precisas con un gas precursor en una cámara de deposición para recubrir uniformemente la oblea antes de solidificar. Estamos tomando cada vez más precursores químicos líquidos y sólidos, sublimándolos usando altas temperaturas y procesos cuidadosamente controlados, luego usando válvulas UHP para dosificarlos sobre las obleas. Estos químicos a menudo pueden ser inestables y tener características agresivas y corrosivas, lo que los hace difíciles de trabajar eficazmente.

Confiamos a menudo en procesos de deposición de capas atómicas (ALD) y grabado de capas atómicas (ALE) a menudo porque la deposición química de vapor (CVD) y los precursores que usamos en ese proceso no pueden controlarse lo suficientemente eficazmente para facilitar la fabricación de chips en el tamaño de transistor pequeño que vemos hoy. Son estos cambios en procesos y química, por ejemplo, la industria pasó a interconexiones de cobre desde aluminio en los años 90 debido a su mayor conductividad, los que requieren cambios en componentes.

Al principio, los OEM de herramientas se dieron cuenta de que los rendimientos de chips decepcionantes a menudo eran causados por problemas de proceso en lugar de equipos defectuosos. Humedad, químicos reactivos expuestos a la atmósfera, partículas formando residuos en válvulas e impidiendo que sellaran, todos estos fueron desafíos que la industria encontró. Hemos aprendido a medida que hemos evolucionado a controlar los desafíos del proceso, a menudo a través de componentes y diseños de sistemas de fluidos avanzados. Eso ha afectado positivamente nuestros resultados, pero también ha afectado los procesos de fabricación de chips y los requisitos de rendimiento de los componentes habilitadores.

SRP: Si esa es una imagen histórica de la evolución de la fabricación de semiconductores, ¿qué desafíos enfrenta la industria hoy, y cómo está afectando eso a los requisitos de componentes de sistemas de fluidos?

CW: Para alcanzar la próxima etapa de fabricación de chips, necesitamos control de producto fiable, repetibilidad y consistencia en la fabricación de válvulas. Las herramientas de semiconductores requieren numerosas válvulas UHP, y es difícil tener un rendimiento perfectamente uniforme de válvula a válvula, pero necesitamos esa consistencia de fabricación. No se trata solo de un producto de alta calidad, sino de esa misma calidad de válvula a válvula.

Además, el cambio de temperatura importa. Necesitamos consistencia de rendimiento a temperaturas y caudales más altos. Hay más énfasis en la fabricación de chips 3D NAND ahora, lo que significa más materiales apilados en hendiduras más profundas en los chips a medida que los transistores se apilan uno encima del otro, por lo que necesita dosificar más medios precursores en la oblea, quizás 200 veces más gas, para recubrir efectivamente estas ubicaciones. Hay tolerancias cada vez más estrictas, y eso significa menos margen para la variabilidad.

"Para alcanzar la próxima etapa de fabricación de chips, necesitamos control de producto fiable, repetibilidad y consistencia en la fabricación de válvulas."

SRP: Además de dosificación precisa, estabilidad de temperatura y capacidad de flujo, ¿qué más necesita la industria de las válvulas UHP para continuar manteniéndose al día con la Ley de Moore?

CW: Tenemos que mantenernos enfocados en la limpieza y la resistencia a la corrosión también. La ciencia de materiales es importante aquí. Por ejemplo, la válvula ALD20 usa Aleación 22 (Hastelloy^® C22) en el fuelle porque ese es un material que puede resistir químicas altamente corrosivas. Pero por muy bueno que sea, incluso este material no es ideal en todos los procesos. Un recubrimiento especial podría ser necesario para manejar diferentes químicas a medida que las geometrías se hacen más pequeñas y los químicos precursores se vuelven más agresivos. Desarrollar estos recubrimientos puede ser difícil y costoso, pero tenemos cada vez menos tolerancia a la corrosión en nuestros procesos.

Por eso es clave que los proveedores de soluciones de sistemas de fluidos trabajen estrechamente con tanto OEM como fabricantes de semiconductores a medida que desarrollan nuevos productos. La colaboración fue importante cuando Swagelok introdujo las primeras válvulas ALD hace décadas, y sigue siendo más importante que nunca. A veces esto significa trabajar con OEM de herramientas, pero dado que las demandas en sus herramientas son impulsadas por los fabricantes de chips, a veces necesitará trabajar directamente con las fábricas también. Se trata de resolver problemas juntos y averiguar qué tiene sentido basado en los ciclos de desarrollo de las empresas involucradas. Pero es esta colaboración la que permitirá la tecnología del mañana.

SRP: ¿Cómo ha sido la colaboración con proveedores durante su carrera? ¿Cómo la ha experimentado personalmente?

CW: Al principio de mi carrera, cuando estaba en ASM, colaboré con Swagelok en el desarrollo de la válvula de diafragma UHP de la serie DH de Swagelok^®. Necesitábamos una válvula que funcionara en vacío a 220 °C y que fuera más pequeña que lo disponible en el mercado en ese momento para poder colocar más válvulas en un espacio pequeño y obtener mejor rendimiento de nuestras herramientas ALD. Trabajé con Swagelok Southwest y el departamento de ingeniería corporativa de Swagelok para probar opciones, y finalmente llegamos a una gran solución. El resultado fue una válvula de diafragma con un diseño de doble pistón, un nuevo lubricante para ayudar a evitar la contaminación en una cámara de vacío y una resistencia extrema a la temperatura que duraría más de 10 millones de ciclos.

También fue útil que el equipo de Swagelok fuera transparente y dispuesto a compartir protocolos y datos de prueba durante el proceso, lo cual no siempre ocurre con otros fabricantes. Además, como siempre ocurre en esfuerzos colaborativos, las personas marcan la diferencia. Quieres trabajar con personas que hagan que sea fácil disfrutar de tu trabajo, y el equipo con el que trabajé en este proyecto era de primera. En mi carrera en la industria de semiconductores, siempre he buscado contactos comerciales que quieran una situación de ganar-ganar al tratar con sus clientes, no solo un "nosotros ganamos". Ambos tipos de empresas existen, así que siempre he elegido cuidadosamente.

SRP: ¿Qué sigue para la industria de semiconductores? ¿Qué desafíos deberán superarse y qué podemos esperar en el futuro cercano?

CW: Un desafío para la industria será mantenerse al día con las necesidades de escalado. Ahora que estamos en nodos de proceso de 7 nm o 5 nm, ¿a dónde vamos desde aquí? ¿Existen los materiales y capacidades de fabricación para seguir miniaturizando la tecnología? El apilamiento 3D NAND es una solución; estamos viendo más semiconductores apilados uno encima del otro, permitiendo empaquetar tres veces el número de transistores en un área en comparación con lo que se ha hecho tradicionalmente. Nueva tecnología se está trabajando para facilitar esto, como tecnología de deposición selectiva que le permite depositar solo donde quiere en una oblea, en lugar de recubrir toda la superficie.

Los materiales también están cambiando. La industria está considerando el carburo de silicio como base para obleas en lugar de silicio. El silicio es fácil de encontrar e económico, por lo que fue ampliamente adoptado, pero podríamos ver materiales como el germanio volver a usarse a medida que se necesiten diferentes materiales para proporcionar energía a transistores en tamaños diminutos. Otros materiales rápidos y prometedores se han investigado con el tiempo, pero los procesos de fabricación o los requisitos de chips pueden no haber hecho que estos materiales especializados costosos sean económicamente viables. Ahora, podríamos necesitarlos.

No son solo los materiales de las obleas los que necesitarán cambiar, sino nuestros procesos: qué depositamos, cómo grabamos, etc. Métodos más nuevos como la litografía de ultravioleta extremo (EUV) se están empleando, pero una vez que comencemos a trabajar hacia transistores más pequeños de 5-3 nm, eso puede no funcionar mucho más. El costo se vuelve exponencialmente más alto cuanto más pequeño se va, por lo que podríamos ver más proveedores especializados intentando mantenerse al día con la Ley de Moore en lugar de todos porque se volverá demasiado costoso hacerlo.

SRP: Gracias por la perspectiva, Carl. ¿Tiene alguna palabra final de sabiduría para los profesionales de semiconductores que ocupan el tipo de roles que usted ha tenido en el pasado?

CW: Si una cosa es cierta, es que seguiremos viendo avances, incluso si no siempre podemos ver cómo se llevarán a cabo todavía. Lo único en lo que puede confiar es en la necesidad de relaciones sólidas y colaboración para llegar a donde quiere ir.

Cuando tiene una necesidad especializada, no siempre es tan simple como comprar un producto de estantería para abordarla; a veces tiene que trabajar con socios para desarrollar una solución de próxima generación. Cuando lo hace, busque empresas que tengan las capacidades de ingeniería y la mentalidad colaborativa para ayudarle a llegar a donde quiere ir. Necesita colaboradores que escuchen sus necesidades, nunca prometan nada que no puedan hacer y que no sacrifiquen la calidad solo para complacerle. Es un riesgo que se corre con muchas empresas al moverse rápido, así que aprenda en quién puede confiar. Construir relaciones es lo mejor que puede hacer para construir resultados.

"...busque empresas que tengan las capacidades de ingeniería y la mentalidad colaborativa para ayudarle a llegar a donde quiere ir. Necesita colaboradores que escuchen sus necesidades..."

SRP: Gracias, Carl. Agradecemos que se tome el tiempo para compartir su conocimiento con nosotros hoy.

CW: Mi placer. Estoy feliz de ayudar.