Preguntas y respuestas:Pasado, presente y futuro de la fabricación de semiconductores

Pasado, presente y futuro de la fabricación de semiconductores:una sesión de 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, predijo que la cantidad de transistores en un circuito integrado (o microchip) deberá duplicarse cada dos años, mientras que el costo de la computación se reduce en casi la mitad, lo que lleva a un crecimiento exponencial en el poder de cómputo. La industria de los 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 se esfuerzan por alcanzar el mismo objetivo y la demanda de los consumidores de tecnología avanzada es constante.

Gracias en gran parte a la Ley de Moore:“¡Siento la necesidad, la necesidad de velocidad!” puede parecer más una descripción de la vida cotidiana en la industria de los semiconductores que una cita retrospectiva de Top Gun . Este fue uno de los muchos puntos clave de nuestra conversación reciente con el veterano de la industria Carl White, consultor principal de ingeniería en C.L. Servicios de ingeniería blanca, LLC. Después de pasar casi 40 años trabajando en negocios a lo largo de la cadena de suministro de la industria de semiconductores, Carl ofreció una gran perspectiva sobre la incesante necesidad de velocidad, tanto en el desarrollo como en la potencia de procesamiento. Continúe 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 los semiconductores en la actualidad y qué podemos esperar ver en el futuro cercano.

Punto de referencia Swagelok (SRP): Gracias por acompañarnos, Carl. ¿Puedes comenzar contándonos un poco sobre tus antecedentes?

Carlo Blanco: Soy nativo de Arizona y estudié administración de tecnología industrial e ingeniería mecánica en el estado de Arizona antes de comenzar mi carrera en ASM, el OEM de herramientas de procesamiento de semiconductores, en 1982. De allí pasé a trabajar en Spectrum CVD, que era propiedad de Motorola. en el momento; Materials Research Corporation, que finalmente pasó a formar parte de Sony; Tokyo Electron, también conocida como TEL; y eventualmente Materiales Aplicados. Pasé 28 de mis 38 años en la industria de semiconductores trabajando en el espacio OEM y los otros 10 años para un fabricante de chips:Motorola Semiconductor Products Group. Me retiré de ASM el año pasado después de pasar los últimos 15 años trabajando en la tecnología ALD (deposición de capas atómicas). Ahora consulto con empresas de la industria.

PVP: Parece que tiene una perspectiva interesante, ya que ha trabajado extensamente en los aspectos de la industria como OEM de herramientas y fabricante de chips. ¿Qué te llevó a dedicar tu carrera a esto?

OC: Es una industria muy acelerada. La tecnología cambia constantemente y eso requiere creatividad y aprendizaje continuo para quienes trabajamos en el espacio. ¡No había posibilidad de aburrirse! También fue emocionante ver cómo los diseños en los que trabajé impulsaron el cambio, ya que la tecnología de semiconductores es importante en casi todas las demás industrias.

PVP: ¿Qué metatendencias ha visto que impulsan la evolución de la industria de los semiconductores?

OC: Al principio, fue el programa espacial. Más tarde, fue la tecnología de consumo. Pasamos de usar reglas de cálculo a calculadoras portátiles, computadoras personales y teléfonos inteligentes, y eso fue posible gracias a la evolución de la tecnología de semiconductores. Ahora estamos viendo el surgimiento de A.I. y cambio de conducción de vehículos autónomos. La única constante ha sido la necesidad de producir productos y transmitir información más rápido. Constantemente se requiere nueva tecnología de semiconductores para satisfacer la demanda de más poder de cómputo.

También existe el impulso que proviene de la competencia por el liderazgo en la innovación de semiconductores. No se trata sólo de una competencia entre empresas, sino de algo que tiene lugar a escala mundial. Con el tiempo, diferentes países han liderado el desarrollo de la 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 mundial. Eso aceleró el avance en la industria de los semiconductores en los EE. UU. En ese momento, muchas empresas intentaban hacer de 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, lo que también ayudó a optimizar el avance de la industria.

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

OC: La miniaturización es una necesidad constante para mantenerse al día con la Ley de Moore. Para obtener más transistores en los chips, debe hacerlos cada vez más pequeños. También debe ajustar el equipo para alinearlo con los avances del proceso de fabricación. Un punto de inflexión importante fue a fines de la década de 1990, principios de la década de 2000, cuando la industria pasó de obleas de silicio de 200 mm a 300 mm como base para los chips, lo que requirió cambios importantes en la fabricación y las herramientas. El desarrollo de puertas de alta K (constante dieléctrica) para transistores de 45 nm (nanómetros) que permitían una menor 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 producirlos, por lo que fue emocionante presenciar el cambio. Ahora, en perspectiva, las empresas están trabajando en la producción de chips de 5 nm.

En general, hemos visto empresas que intentan pasar a nodos de proceso más pequeños, lo que significa la fabricación de tamaños de características de tecnología de semiconductores más pequeños en un esfuerzo por crear transistores más pequeños, más rápidos y más eficientes energéticamente, tan pronto como cada 18 meses. Esto supera la predicción de la Ley de Moore (pasar 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 habilitar sus herramientas. Esta colaboración es fundamental 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.

PVP: ¿La demanda del mercado de aplicaciones electrónicas específicas impulsa la innovación en semiconductores, o el avance de la tecnología de chips suele adelantarse a la demanda del mercado?

OC: Puede ir de cualquier manera. A veces, la presión general para que la tecnología de semiconductores evolucione constantemente puede generar avances antes de que el mercado sepa qué hacer con la tecnología. Por ejemplo, en la década de 1990, las capacidades informáticas avanzaban rápidamente, pero faltaban los conocimientos y las habilidades de software necesarios para utilizar toda la potencia de la tecnología de chips, por lo que las aplicaciones iban a la zaga de las capacidades de procesamiento. Pero en otros casos, puede haber presión para potenciar las aplicaciones existentes para que hagan más; lo vemos ahora con la necesidad de habilitar más procesamiento de datos e IA. aplicaciones

Fundamentalmente, hemos visto tres eras de demanda. Desde la década de 1960 hasta la década de 1980, se trataba de habilitar computadoras y equipos de cálculo. Entonces teníamos miles de transistores en chips. A partir de la década de 1980, vimos un cambio de énfasis hacia la habilitación de tecnología móvil como computadoras portátiles y teléfonos celulares. Teníamos millones de transistores en un chip en este punto. En la última década, la transferencia y el almacenamiento de datos están impulsando la demanda a medida que creamos tecnología que está más conectada (con el auge del Internet de las cosas y los dispositivos inteligentes que impulsan las interacciones sociales las 24 horas) y centrada en los datos (con tendencias como Big Datos y aprendizaje automático creando demanda).

PVP: ¿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?

OC: El cambio en la geometría de los chips 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 vuelven más pequeños, es crucial evitar la contaminación en el procesamiento, ya que esto puede afectar los rendimientos y la confiabilidad del chip. Deben evitarse los procesos no controlados y la contaminación de los componentes. Como resultado, la industria pasó de válvulas de fuelle (ciclo de vida más alto) a válvulas de diafragma (históricamente más limpias) que tienen menos “espacio muerto” y volumen de gas contenido, así como menos partes móviles.

Ahora, con el lanzamiento de Swagelok ^® Válvula ALD20 Recientemente, 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, por ejemplo, acero VIM-VAR de alta calidad y aleaciones resistentes a la corrosión. También se están empleando mejores técnicas de acabado, como el electropulido y la pasivación, así como mejores pruebas antes del lanzamiento de productos que antes. En el pasado, vi a algunas empresas correr hasta el final para lanzar una tecnología primero, pero no calificaron sus componentes lo suficientemente bien y eso nos causó problemas. Es importante saber que los productos funcionarán tal como se prometió en el espacio de los semiconductores; Los componentes en los que puede confiar para que sean consistentes y brinden un rendimiento repetible son fundamentales.

PVP: Al igual que en una pregunta anterior, ¿siempre ha cambiado la tecnología de válvulas para permitir nuevos procesos de producción de chips, o el progreso en la fabricación de semiconductores ha impulsado las innovaciones en los sistemas de fluidos?

OC: Los cambios en el proceso de fabricación de semiconductores definitivamente han desempeñado un papel en la definición de lo que necesitamos de las válvulas UHP y otros componentes del sistema de fluidos. Cuando fabrica microchips, normalmente 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 solidificarse. Tomamos cada vez más productos químicos precursores líquidos y sólidos, los sublimamos usando altas temperaturas y procesos cuidadosamente controlados, y luego usamos válvulas UHP para dosificarlos en las obleas. Estos productos químicos a menudo pueden ser inestables y tener características agresivas y corrosivas, lo que hace que sea difícil trabajar con ellos de manera efectiva.

Confiamos en los procesos de deposición de capa atómica (ALD) y grabado de capa atómica (ALE) a menudo porque la deposición química de vapor (CVD) y los precursores que usamos en ese proceso no se pueden controlar con la suficiente eficacia para facilitar la fabricación de chips en el pequeño tamaño de transistor que ver hoy Son estos cambios en los procesos y la química (por ejemplo, la industria cambió de aluminio a las interconexiones de cobre en la década de 1990 debido a su mayor conductividad) que requieren cambios en los componentes.

Al principio, los fabricantes de equipos originales de herramientas se dieron cuenta de que los rendimientos de virutas decepcionantes a menudo se debían a problemas del proceso y no a equipos defectuosos. La humedad, los productos químicos reactivos expuestos a la atmósfera, las partículas que forman residuos en las válvulas y evitan que se sellen:todos estos fueron desafíos que enfrentó la industria. A medida que evolucionamos, hemos aprendido 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.

PVP: Si esa es una imagen histórica de la evolución de la fabricación de semiconductores, ¿qué desafíos enfrenta la industria hoy en día y cómo afecta eso a los requisitos de los componentes del sistema de fluidos?

OC: Para llegar a la siguiente etapa de la fabricación de chips, necesitamos un control del producto confiable, 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 la misma calidad de válvula a válvula.

Además, el cambio de temperatura es importante. Necesitamos consistencia en el rendimiento a temperaturas y caudales más altos. Ahora hay más énfasis en la fabricación de chips 3D NAND, lo que significa que se colocan más materiales en capas en grietas 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, tal vez 200 veces más gas. para recubrir eficazmente estos lugares. Hay tolerancias cada vez más estrictas, y eso significa menos margen para la variabilidad.

“Para llegar a la siguiente etapa de la fabricación de chips, necesitamos control del producto confiable, repetibilidad y consistencia en la fabricación de válvulas”.

PVP: Además de la dosificación precisa, la estabilidad de la temperatura y la capacidad de flujo, ¿qué más necesita la industria de las válvulas UHP para seguir cumpliendo la Ley de Moore?

OC: También debemos centrarnos en la limpieza y la resistencia a la corrosión. La ciencia de los materiales es importante aquí. Por ejemplo, la válvula ALD20 utiliza aleación 22 (Hastelloy ^® C22) en los fuelles porque es un material que puede resistir productos químicos altamente corrosivos. Pero a pesar de lo bueno que es, incluso este material no es ideal en todos los procesos. Es posible que se requiera un recubrimiento especial para manejar diferentes productos químicos a medida que las geometrías se vuelven más pequeñas y los precursores químicos se vuelven más agresivos. Desarrollar estos recubrimientos puede ser difícil y costoso, pero cada vez tenemos menos tolerancia a la corrosión en nuestros procesos.

Esta es la razón por la que es clave que los proveedores de soluciones de sistemas de fluidos trabajen en estrecha colaboración con los fabricantes de semiconductores y OEM 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 fabricantes de equipos originales de herramientas, pero dado que las demandas de sus herramientas son impulsadas por los fabricantes de chips, a veces también tendrá que trabajar directamente con las fábricas. Se trata de resolver problemas juntos y descubrir qué tiene sentido en función de los ciclos de desarrollo de las empresas involucradas. Pero es esta colaboración la que permitirá la tecnología del mañana.

PVP: ¿Cómo ha sido la colaboración con los proveedores durante su carrera? ¿Cómo lo has vivido personalmente?

OC: Al principio de mi carrera, cuando estaba en ASM, colaboré con Swagelok en el desarrollo de Swagelok ^® Válvula de diafragma UHP serie DH. Necesitábamos una válvula que funcionara en vacío a 220 ºC y que fuera más pequeña que la que estaba disponible en el mercado en ese momento para poder colocar más válvulas en un espacio pequeño y obtener un 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 a temperaturas extremas que duraría más de 10 millones de ciclos.

También resultó útil que el equipo de Swagelok fuera transparente y estuviera dispuesto a compartir protocolos de prueba y datos durante todo el proceso, lo que no siempre ocurre con otros fabricantes. Además, como siempre ocurre con los esfuerzos de colaboración, las personas marcan la diferencia. Quieres trabajar con personas que te faciliten disfrutar de tu trabajo, y el equipo con el que trabajé en este proyecto fue de primera categoría. En mi carrera en la industria de los semiconductores, siempre he buscado contactos comerciales que deseen una situación en la que todos ganen al tratar con sus clientes, no solo un “nosotros ganamos”. Existen ambos tipos de empresas, así que siempre he elegido con cuidado.

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

OC: 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, ¿hacia dónde vamos desde aquí? ¿Existen los materiales y las capacidades de fabricación para seguir miniaturizando la tecnología? El apilamiento 3D NAND es una solución:estamos viendo más semiconductores apilados uno encima del otro, lo que permite empaquetar tres veces la cantidad de transistores en un área en comparación con lo que se ha hecho tradicionalmente. Se está trabajando en una nueva tecnología para facilitar esto, como la tecnología que permite la deposición selectiva que le permite depositar solo donde desee en una oblea, en lugar de cubrir toda la superficie.

Los materiales también están cambiando. La industria está considerando el carburo de silicio como base para las obleas en lugar del silicio. El silicio es fácil de encontrar y económico, por lo que fue ampliamente adoptado, pero podríamos ver que materiales como el germanio vuelven a usarse, ya que se necesitan diferentes materiales para proporcionar energía a los transistores en tamaños pequeños. A lo largo del tiempo se han investigado otros materiales rápidos y prometedores, pero es posible que los procesos de fabricación o los requisitos de los chips no hayan hecho que estos costosos materiales especiales sean económicamente viables. Ahora, podríamos necesitarlos.

No son solo los materiales de las obleas los que tendrán que cambiar, sino también nuestros procesos:lo que depositamos, cómo grabamos, etc. Se están empleando métodos más nuevos como la litografía ultravioleta extrema (EUV), pero una vez que comencemos a trabajar con transistores de menos de 5 a 3 nm, es posible que no funcionen por mucho más tiempo. El costo se vuelve exponencialmente más alto cuanto más pequeño sea, por lo que es posible que veamos que más proveedores especializados se adhieran a tratar de mantenerse al día con la Ley de Moore en lugar de todos porque será demasiado costoso hacerlo.

PVP: Gracias por la perspectiva, Carl. ¿Tiene algunas palabras finales de sabiduría para los profesionales de semiconductores que desempeñan el tipo de funciones que ha desempeñado en el pasado?

OC: Si una cosa es cierta, es que seguiremos viendo avances, incluso si todavía no podemos ver cómo se llevarán a cabo. Lo único con lo que puede contar es 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 listo para usar para abordarla; a veces, tiene que trabajar con socios para desarrollar una solución de próxima generación. Cuando lo haga, busque empresas que tengan las capacidades de ingeniería y la mentalidad colaborativa para ayudarlo a llegar a donde quiere ir. Necesitas colaboradores que escuchen tus necesidades, nunca prometan nada que no puedan hacer y que no sacrifiquen la calidad solo para hacerte feliz. Es un riesgo que corres con muchas empresas cuando te mueves rápido, así que aprende en quién puedes confiar. Construir relaciones es lo mejor que puede hacer para generar resultados.

“…busque empresas que tengan las capacidades de ingeniería y la mentalidad colaborativa para ayudarlo a llegar a donde quiere ir. Necesitas colaboradores que escuchen tus necesidades…”

PVP: ¡Gracias, Carlos! Agradecemos que se haya tomado el tiempo para compartir sus conocimientos con nosotros hoy.

OC: Mi placer. Estoy feliz de ayudar.