Maximizar el rendimiento de semiconductores con soluciones de aleaciones optimizadas

Mejorar los rendimientos de fabricación de semiconductores con materiales optimizados

Masroor Malik, Semiconductor Market Manager, Swagelok, y Shelly Tang, Lead Principal Metallurgical Engineer, Swagelok

La innovación rápida es una necesidad en el panorama de semiconductores altamente competitivo. Gran parte del mundo moderno depende del desarrollo de chips cada vez más potentes, utilizando transistores cada vez más pequeños para generar altos niveles de poder de procesamiento. La ley de Moore, que establece que el número de transistores en un chip dado se duplica cada dos años, se ha mantenido cierta desde la década de 1970 y continúa impactando el desarrollo de transistores hoy.

Los fabricantes deben, por supuesto, equilibrar estas demandas de innovación con su propia capacidad para maximizar tanto la producción como la rentabilidad. ¿Cómo hacerlo? Un informe reciente de McKinsey & Company¹ sugiere que varias estrategias comunes —reducir costos laborales, reducir consumo de materiales y reducir gastos de adquisición global— han demostrado ser efectivas a corto plazo, pero no han generado ganancias de rentabilidad a largo plazo.

En su lugar, el informe sugiere que los fabricantes de semiconductores pueden gestionar costos de manera más efectiva y mantener una mayor rentabilidad mejorando el rendimiento de extremo a extremo. "La optimización del rendimiento ha sido considerada durante mucho tiempo como uno de los objetivos más críticos, pero difíciles de alcanzar —por lo tanto, una ventaja competitiva en las operaciones de semiconductores", según McKinsey.

Los rendimientos de extremo a extremo pueden mejorarse de diversas maneras, pero hay un potencial significativo en un área a veces pasada por alto del proceso de fabricación de semiconductores: sistemas y componentes críticos de fluidos que transportan gases reactivos halógenos desde el almacenamiento hasta la cámara de deposición. A medida que las condiciones de proceso se vuelven más exigentes, y a medida que los gases reactivos se vuelven más ligeros y agresivos, estos sistemas deben ofrecer el más alto nivel de rendimiento —y gran parte de eso depende de los materiales de los que están hechos.

En el entorno actual de producción de chips de semiconductores, los aceros inoxidables de menor grado a menudo no proporcionan los niveles necesarios de rendimiento. Aquí está cómo los componentes de sistemas de fluidos hechos de materiales de mayor calidad pueden contribuir a mayores rendimientos de extremo a extremo, y qué deben considerar los fabricantes de semiconductores al especificar aceros inoxidables.

El impacto de los sistemas de fluidos en el potencial de rendimiento.

El impacto de los sistemas de fluidos y gases en los rendimientos se ve afectado principalmente por dos factores clave: contaminación y corrosión.

Primero, a medida que los transistores de proceso continúan haciéndose más pequeños, la resistencia a la contaminación es un atributo de rendimiento cada vez más importante para entornos de producción de ultra-alta pureza. Incluso partículas extrañas mínimas y microscópicas pueden causar un problema importante. La componentería adecuada del sistema de fluidos puede ayudar a limitar los contaminantes que entran en el proceso de fabricación de chips, contribuyendo así a mayores volúmenes de chips viables durante una corrida de producción.

En segundo lugar, a medida que los procesos de producción de semiconductores utilizan cada vez más gases de proceso agresivos que pueden requerir temperaturas de operación cada vez más altas, el potencial de corrosión aumenta. Cualquier tiempo de inactividad resultante de la necesidad de reemplazar una válvula, accesorio o tubo corroído en estos sistemas puede detener la producción y reducir drásticamente el rendimiento general. La resistencia superior a la corrosión puede ayudar a los fabricantes a evitar este tipo de tiempo de inactividad. La seguridad también es una consideración importante aquí —un componente del sistema que no funciona correctamente puede llevar a una fuga potencialmente peligrosa.

Lograr un mayor rendimiento a través de la selección estratégica de materiales.

Una formulación de acero inoxidable con un equilibrio optimizado de aleaciones de alto rendimiento y contenido residual es crítico para entornos de producción de semiconductores.

Por ejemplo, niveles elevados de cromo, níquel y molibdeno en formulaciones de acero inoxidable aumentan tanto la resistencia del material como la capacidad de resistir la corrosión resultante del contacto con medios de sistema agresivos. Cierto contenido residual debe permanecer en la formulación —por ejemplo, un equilibrio específico de azufre es necesario para asegurar el acabado superficial óptimo del componente de uso final y soldabilidad. Esta es una combinación desafiante de atributos de rendimiento para equilibrar, y requiere un fabricante con altos niveles de experiencia y conocimiento en metalurgia y ciencia de materiales.

En la fabricación de semiconductores, sin embargo, la limpieza y pureza son de importancia crítica. La limpieza puede mejorarse usando material de alta pureza con impurezas minimizadas en acero inoxidable a través de procesos como descarburación con argón-oxígeno (AOD), fundición por inducción al vacío (VIM) y refundición por arco al vacío (VAR). Métodos estrictos de control de calidad y prueba también deben ser implementados por el fabricante —medidas como pruebas ultrasónicas, pruebas de corrientes de Foucault y otros métodos pueden detectar incluso las imperfecciones internas o externas más pequeñas que pueden comprometer la pureza. El post-procesamiento de mecanizado, como electropulido y pasivación para ciertos materiales, puede mejorar aún más la limpieza del componente.

Qué buscar en su proveedor de componentes de sistemas de fluidos.

Para reducir la contaminación, mejorar la resistencia a la corrosión y contribuir a mayores rendimientos de producción de extremo a extremo, los fabricantes de semiconductores deben buscar proveedores probados de componentes de sistemas de fluidos que entiendan las necesidades únicas de sus aplicaciones críticas y ofrezcan soluciones con funcionalidad optimizada y construcción de materiales.

Un proveedor ideal debería poder…

• Comprender a fondo la ciencia de materiales y los desafíos de fabricación de semiconductores
• Adquirir el acero inoxidable de más alta calidad de proveedores probados
• Mantener estándares de química de materiales y procesamiento estrechamente especificados
• Probar rigurosamente y a fondo todos los materiales de acero inoxidable
• Mantener un control estricto sobre los materiales durante todo el proceso de fabricación
• Rastrear todos los materiales de acero inoxidable desde materias primas hasta el envío para 100% de trazabilidad

Buscar un proveedor que demuestre cada uno de estos atributos vale la pena el esfuerzo para los fabricantes de semiconductores que quieren lograr una producción máxima en este espacio altamente competitivo. Encontrar un proveedor que ofrezca productos de alto rendimiento que minimicen la contaminación y corrosión a través de elecciones de materiales adecuadas y diseño de producto tiene un potencial significativo de ROI.

¿Interesado en aprender más sobre cómo los sistemas de fluidos optimizados pueden ayudarle a lograr ganancias de rentabilidad a largo plazo? Swagelok tiene décadas de experiencia proporcionando componentería de alto rendimiento a la industria de semiconductores. Contacte a nuestro equipo y descubra cómo puede beneficiarse hoy.

¹ "Taking the next leap forward in semiconductor yield improvement", McKinsey & Company, 2 de mayo de 2018.

Masroor Malik es Semiconductor Market Manager para The Swagelok Company. En sus veintidós años con la empresa, tiene una experiencia técnica significativa ayudando a clientes en todo el mercado de semiconductores. Tiene títulos de la Universidad de Nebraska-Lincoln y la Weatherhead School of Management en Case Western Reserve University.

Shelly Tang es Lead Principal Metallurgical Engineer para The Swagelok Company. En sus casi 20 años en este rol, Shelly tiene experiencia significativa en ciencia de materiales en una variedad de aplicaciones críticas de sistemas de fluidos. Tiene un doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales de Penn State University.