Эволюция полупроводников: Прошлое, настоящее и будущее — Экспертный Q&A

Производство полупроводников: Прошлое, настоящее и будущее — Q&A с консультантом отрасли Карлом Уайтом

Закон Мура, концепция, впервые высказанная сооснователем Intel Гордоном И. Муром в 1965 году, предсказывал, что количество транзисторов на интегральной схеме (или микросхеме) должно удваиваться каждые два года, в то время как стоимость вычислений снижается наполовину, что ведет к экспоненциальному росту вычислительной мощности. Полупроводниковая отрасль много работала, чтобы следовать этой парадигме, но постоянное предоставление большей вычислительной мощности в меньшем пространстве нелегко, особенно когда конкуренты стремятся к той же цели, а потребительский спрос на передовые технологии постоянный.

Большей частью благодаря Закону Мура, фраза «Я чувствую потребность — потребность в скорости!» может ощущаться больше как описание повседневной жизни в полупроводниковой отрасли, чем как ностальгическая цитата из Топ Ган. Это было одним из множества ключевых выводов нашего недавнего разговора с ветераном отрасли Карлом Уайтом, главным инженерным консультантом C.L. White Engineering Services, LLC. После того как он провел почти 40 лет, работая в бизнесах по всей цепочке поставок полупроводниковой отрасли, Карл предложил отличную перспективу на безудержную потребность в скорости — как в разработке, так и в вычислительной мощности. Читайте дальше, чтобы узнать, что он сказал о том, что требовалось для достаточно быстрой инновации, чтобы идти в ногу с Законом Мура в прошлом, какие проблемы сталкивается полупроводниковая отрасль в настоящем и что мы можем ожидать увидеть в ближайшем будущем.

Swagelok Reference Point (SRP): Спасибо, что присоединились к нам, Карл. Можете начать с рассказа о своем бэкграунде?

Карл Уайт: Я уроженец Аризоны, изучал управление промышленными технологиями и машиностроение в Аризонском государственном университете перед началом карьеры в ASM, OEM по полупроводниковому оборудованию, в 1982 году. Оттуда я перешел в Spectrum CVD, которая тогда принадлежала Motorola; Materials Research Corporation, которая в конечном итоге стала частью Sony; Tokyo Electron, также известная как TEL; и в конечном итоге Applied Materials. Я провел 28 из моих 38 лет в полупроводниковой отрасли, работая в пространстве OEM, и другие 10 лет для производителя чипов — Motorola Semiconductor Products Group. Я ушел на пенсию из ASM в прошлом году после того, как провел последние 15 лет, работая над технологией ALD (атомно-слойное осаждение). Сейчас я консультирую компании в отрасли.

SRP: Звучит так, будто у вас интересная перспектива, работая широко на стороне OEM инструментов и производителя чипов. Что побудило вас потратить карьеру на это?

CW: Это очень динамичная отрасль. Технологии постоянно меняются, и это требовало креативности и непрерывного обучения для тех из нас, кто работал в этом пространстве. Не было шанса скучать! Также было вдохновляюще видеть, как над чем я работал, проектировано, привело к изменениям, поскольку полупроводниковая технология важна практически во всех других отраслях.

SRP: Какие мета-тренды вы видели движущими эволюцию полупроводниковой отрасли?

CW: Ранний этап — космическая программа. Позже — потребительские технологии. Мы перешли от логарифмических линеек к карманным калькуляторам, к персональным компьютерам, к смартфонам, и это было возможно благодаря эволюции полупроводниковой технологии. Сейчас мы видим появление ИИ и автономных автомобилей, движущих изменения. Одна постоянная — потребность производить продукты и передавать информацию быстрее. Новые полупроводниковые технологии постоянно требуются для удовлетворения спроса на большую вычислительную мощность.

Также есть драйв, исходящий от конкуренции за лидерство в инновациях полупроводников. Это не просто конкуренция между компаниями, а то, что происходит на глобальном масштабе. Со временем разные страны возглавляли разработку полупроводниковой технологии, и эти динамические изменения иногда приводят к более тесному сотрудничеству на уровне отрасли. Например, 14 американских полупроводниковых компаний объединились с правительством США в 1987 году для формирования SEMATECH, консорциума по производству чипов, в попытке улучшить качество производимых чипов для лучшей конкуренции на глобальном рынке. Это ускорило продвижение в полупроводниковой отрасли в США. В то время многие компании пытались делать всё — проектировать, производить и продавать чиповую технологию. Они научились специализироваться, что привело к созданию фабрик, производящих чипы для других компаний, помогая оптимизировать продвижение отрасли тоже.

SRP: Можете объяснить связь между плотностью чипа и эволюцией полупроводниковой технологии и электроники, которой она дала питание? Как это повлияло на оборудование и компоненты, необходимые для производства чипов?

CW: Миниатюризация — постоянная необходимость для следования Закону Мура. Чтобы получить больше транзисторов на чипах, нужно делать их меньше и меньше. Также нужно настраивать оборудование в соответствии с прогрессом производственных процессов. Главная точка перегиба была в конце 1990-х, начале 2000-х, когда отрасль перешла от 200-мм к 300-мм кремниевым пластинам как фундаменту для чипов — это потребовало крупных изменений в производстве и инструментах. Разработка высокодиэлектрических затворов (high-K) для 45-нм транзисторов, позволяющая меньше утечки электронов, был еще одним большим шагом в стремлении отрасли к миниатюризации. Мне посчастливилось поработать над разработкой оборудования, которое Intel использовало для производства этих чипов, так что изменение было вдохновляюще наблюдать. Сейчас, для перспективы, компании работают над производством 5-нм чипов.

В общем, мы видели компании, пытающиеся переходить к более мелким технологическим узлам — означающим производство более мелких размеров признаков полупроводниковой технологии в усилиях создать более мелкие, быстрые, более энергоэффективные транзисторы — так же быстро, как каждые 18 месяцев. Это превышает предсказание Закона Мура (переход к более мелким технологическим узлам каждые два года), потому что это то, что делают конкуренты.

Производители полупроводников говорят OEM инструментам, чего они хотят достичь в плане производительности чипа и каких производственных процессов это, вероятно, потребует. OEM работают над созданием производственного оборудования, которое может обеспечить такую производительность, и в так делают, они работают с компаниями вроде Swagelok, чтобы найти существующие компоненты или сотрудничать в инженерии новых компонентов для обеспечения их инструментов. Это сотрудничество критично, если полупроводниковые компании хотят идти в ногу со скоростью инноваций, так как оно помогает OEM получать компоненты, которые им нужны сегодня, и помогает производителям компонентов предвидеть будущие потребности отрасли.

SRP: Рыночный спрос на конкретные электронные приложения движет инновациями полупроводников, или продвижение чиповой технологии обычно опережает рыночный спрос?

CW: Может быть любым способом. Иногда общее давление постоянно развивать полупроводниковую технологию может привести к прорывам до того, как рынок знает, что делать с технологией. Например, в 1990-х вычислительные возможности быстро развивались, но знания и навыки программного обеспечения, необходимые для использования полной мощности чиповой технологии, не хватало, поэтому приложения отставали от вычислительных возможностей. Но в других случаях может быть давление усилить существующие приложения делать больше — мы видим это больше сейчас с необходимостью обеспечить больше обработки данных и приложений ИИ.

Фундаментально, мы видели три эры спроса. С 1960-х по 1980-е — всё было о обеспечении компьютеров и расчетного оборудования. У нас было тысячи транзисторов на чипах тогда. Начиная с 1980-х, мы увидели смещение акцента на обеспечение мобильных технологий вроде ноутбуков и сотовых телефонов. К этому моменту у нас было миллионы транзисторов на чипе. В последнем десятилетии передача и хранение данных движет спрос, пока мы создаем технологии, которые более связаны (с ростом Интернета вещей и умных устройств, питающих круглосуточные социальные взаимодействия) и ориентированы на данные (с трендами вроде Big Data и машинного обучения, создающими спрос).

SRP: Как постоянный спрос на более мелкие, но более мощные чипы повлиял на требования к производительности компонентов жидкостных систем, используемых в производстве полупроводников?

CW: Изменение геометрии полупроводникового чипа со временем привели к необходимости разных продуктов жидкостных систем, используемых в процессе производства чипов. Особенно по мере того как транзисторы стали меньше, критически важно избегать загрязнения в обработке, так как это может влиять на выход и надежность чипа. Неконтролируемые процессы и загрязнение компонентов должны быть избегнуты. В результате отрасль перешла от фольговых клапанов (более высокий цикл жизни) к мембранным клапанам (исторически более чистым), у которых меньше «мертвого пространства» и объема содержащегося газа, а также меньше движущихся частей.

Теперь, с выпуском клапана Swagelok^® ALD20 недавно, мы видим преимущество высокой пропускной способности, исходящей от фольгового клапана, который все еще предлагает производительность ультравысокой чистоты (UHP), необходимую в современном производстве полупроводников. Это стало возможным частично потому, что производственные техники улучшились со временем, и потому что у нас также есть доступ к улучшенным материалам — высококачественной стали VIM-VAR и коррозионно-стойким сплавам, например. Также есть лучшие техники отделки, такие как электролитическая полировка и пассивация, а также лучшее тестирование перед запуском продуктов, чем раньше. В прошлом я видел некоторые компании, спешащие к финишу, чтобы запустить технологию первой, но они не квалифицировали свои компоненты достаточно хорошо, и это вызывало у нас проблемы. Важно знать, что продукты будут работать из коробки так, как обещано в полупроводниковом пространстве; компоненты, которым можно доверять быть последовательными и доставлять воспроизводимую производительность, критичны.

SRP: Аналогично предыдущему вопросу, всегда ли технология клапанов менялась для обеспечения новых процессов производства чипов, или прогресс производства полупроводников движал инновациями жидкостных систем?

CW: Изменения производственных процессов полупроводников определенно сыграли роль в определении того, что нам нужно от клапанов UHP и других компонентов жидкостных систем. Когда вы производите микросхемы, вы обычно покрываете кристаллическую пластину — кремний, например — последовательностью точных доз предшествующего газа в камеру осаждения для равномерного покрытия пластины перед затвердеванием. Мы все чаще берем жидкие и твердые предшествующие химикаты, сублимируем их, используя высокие температуры и тщательно контролируемые процессы, затем используем клапаны UHP для дозирования их на пластины. Эти химикаты часто могут быть нестабильными и иметь агрессивные, коррозионные характеристики, делая их сложными для эффективной работы.

Мы полагаемся на процессы атомно-слойного осаждения (ALD) и атомно-слойного травления (ALE) часто, потому что химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и предшественники, которые мы использовали в этом процессе, не могут быть достаточно эффективно контролированы для обеспечения производства чипов при таком маленьком размере транзистора, который мы видим сегодня. Именно эти изменения в процессах и химии — например, отрасль перешла на медные интерконнекты от алюминия в 1990-х из-за его более высокой проводимости — необходимы компонентные изменения.

Ранний этап OEM инструментов поняли, что разочаровывающие выходы чипов часто были вызваны проблемами процесса, а не неисправным оборудованием. Влага, реактивные химикаты, экспонированные атмосфере, частицы, формирующие остатки в клапанах и препятствующие их уплотнению — это все проблемы, с которыми отрасль столкнулась. Мы учились по мере эволюции контролировать проблемы процесса, часто через передовые компоненты жидкостных систем и системные дизайны. Это положительно повлияло на наши результаты, но также повлияло на процессы производства чипов и требования к производительности обеспечивающих компонентов.

SRP: Если это историческая картина эволюции производства полупроводников, какие проблемы сталкиваются отраслью сегодня, и как это влияет на требования к компонентам жидкостных систем?

CW: Чтобы достичь следующей стадии производства чипов, нам нужно надежное управление продуктом, воспроизводимость и последовательность производства клапанов. Полупроводниковые инструменты требуют многочисленных клапанов UHP, и трудно иметь идеально равномерную производительность от клапана к клапану, но нам нужно это производственное последовательность. Это не просто о высококачественном продукте, а о том же качестве от клапана к клапану.

Также изменение температуры имеет значение. Нам нужна последовательность производительности при более высоких температурах и расходах. Сейчас больше акцента на производстве 3D NAND чипов, означающих больше материалов, слоящихся в более глубокие впадины на чипах, так как транзисторы ставятся друг на друга, поэтому вам нужно дозировать больше предшествующих сред на пластину — может быть, в 200 раз больше газа — для эффективного покрытия этих локаций. Есть всё более жесткие допуски, и это означает меньше допуска для вариабельности.

«Чтобы достичь следующей стадии производства чипов, нам нужно надежное управление продуктом, воспроизводимость и последовательность производства клапанов.»

SRP: Помимо точного дозирования, температурной стабильности и пропускной способности, что еще отрасль нуждается от клапанов UHP для продолжения следования Закону Мура?

CW: Мы должны оставаться сфокусированными на чистоте и коррозионной стойкости тоже. Материаловедение важно здесь. Например, клапан ALD20 использует Сплав 22 (Hastelloy^® C22) в фольге, потому что это материал, который может выдерживать высококоррозионные химии. Но как велик он ни был, даже этот материал не идеален в каждом процессе. Специальное покрытие может потребоваться для обработки разных химий, по мере того как геометрии становятся меньше, а предшествующие химикаты становятся более агрессивными. Разработка этих покрытий может быть сложной и дорогой, но у нас всё меньше и меньше толерантности к коррозии в наших процессах.

Именно поэтому ключевым является то, чтобы поставщики решений жидкостных систем тесно работали как с OEM, так и с производителями полупроводников по мере разработки новых продуктов. Сотрудничество было важно, когда Swagelok представил первые клапаны ALD десятилетия назад, и оно остается важнее чем когда-либо. Иногда это означает работу с OEM инструментов, но поскольку требования к их инструментам движутся производителями чипов, иногда вам нужно работать с фабками напрямую тоже. Это о совместном решении проблем и выяснении того, что имеет смысл на основе циклов развития вовлеченных компаний. Но именно это сотрудничество позволит технологиям завтрашнего дня.

SRP: Как выглядело сотрудничество с поставщиками в вашей карьере? Как вы лично это пережили?

CW: Ранний в моей карьере, когда я был в ASM, я сотрудничал с Swagelok на разработке клапана Swagelok^® DH серии UHP мембранного. Нам нужен был клапан, который бы работал в вакууме при 220° C и был меньше, чем было доступно на рынке в то время, чтобы мы могли поместить больше клапанов в малое пространство для получения лучшей производительности от наших инструментов ALD. Я работал с Swagelok Southwest и корпоративным инженерным отделом Swagelok для тестирования вариантов, и в конечном итоге мы пришли к отличному решению. Результатом был мембранный клапан с двухпоршневой конструкцией, новой смазкой для помощи в избегании загрязнения в вакуумной камере и экстремальной температурной устойчивостью, которая бы служила более 10 миллионов циклов.

Также было полезно, что команда Swagelok была прозрачной и готовой делиться протоколами тестирования и данными в течение процесса, что не всегда бывает с другими производителями. Также, как всегда бывает в совместных усилиях, люди делают разницу. Вы хотите работать с людьми, которые делают легко для вас наслаждаться вашей работой, и команда, с которой я работал на этом проекте, была топового уровня. В моей карьере в полупроводниковой отрасли я всегда искал деловые контакты, которые хотят ситуацию win-win при общении с их клиентами, не просто «мы выигрываем». Оба типа компаний есть, поэтому я всегда выбирал тщательно.

SRP: Что дальше для полупроводниковой отрасли? Какие проблемы нужно преодолеть, и чего мы можем ожидать в ближайшем будущем?

CW: Одна проблема для отрасли будет следование потребностям масштабирования. Теперь, когда мы на 7 нм или 5 нм технологических узлах, куда идем отсюда? Существуют ли материалы и производственные возможности для дальнейшей миниатюризации технологии? 3D NAND стекование — одно решение — мы видим больше полупроводников, ставленных друг на друга, позволяя упаковать в три раза больше транзисторов в одну область по сравнению с тем, что традиционно делалось. Новые технологии разрабатываются для облегчения этого, как технология селективного осаждения, позволяющая осаждать только там, где вы хотите на пластине, а не покрывать всю поверхность.

Материалы тоже меняются. Отрасль смотрит на карбид кремния как основу для пластин вместо кремния. Кремний легко найти и недорог, поэтому он был широко принят, но мы могли бы увидеть материалы вроде германия вернуться в использование, как разные материалы нужны для обеспечения питания транзисторов крошечных размеров. Другие быстрые, перспективные материалы исследовались со временем, но производственные процессы или требования чипов не делали эти дорогие специальные материалы экономически целесообразными. Теперь нам, возможно, они понадобятся.

Это не только материалы пластин, которые должны измениться, но и наши процессы: что мы осаждаем, как мы травим и так далее. Новейшие методы вроде экстремально-ультрафиолетовой литографии (EUV) используются, но как только начнем работать в сторону транзисторов меньше 5-3 нм, это может не работать дольше. Стоимость становится экспоненциально выше, чем меньше вы идете, поэтому мы можем увидеть больше специализированных провайдеров, придерживающихся попытки идти в ногу с Законом Мура, а не все, потому что это станет слишком дорого.

SRP: Спасибо за перспективу, Карл. Есть ли у вас финальные слова мудрости для полупроводниковых профессионалов, заполняющих роли, которые вы занимали в прошлом?

CW: Если одно точно, так это то, что мы будем видеть продвижение, даже если мы не всегда можем увидеть, как оно произойдет. Одна вещь, на которую можно положиться — необходимость в сильных отношениях и сотрудничестве, чтобы добраться туда, куда вы хотите.

Когда у вас есть специализированная потребность, это не всегда так просто, как купить продукт с полки, чтобы решить ее; иногда вам нужно работать с партнерами, чтобы разработать решение следующего поколения. Когда вы это делаете, ищите компании, которые имеют инженерные возможности и коллаборативный мышление, чтобы помочь вам добраться туда, куда вы хотите. Вам нужны коллабораторы, которые будут слушать ваши потребности, никогда не обещают ничего, чего они не могут сделать, и которые не жертвуют качеством просто чтобы сделать вас счастливыми. Это риск, который вы бежите с множеством компаний при быстром движении, поэтому учитесь, кому можно доверять. Построение отношений — лучшее, что вы можете сделать, чтобы строить результаты.

«…ищите компании, которые имеют инженерные возможности и коллаборативный настрой помочь вам добраться туда, куда вы хотите. Вам нужны коллабораторы, которые будут слушать ваши потребности…»

SRP: Спасибо, Карл! Мы ценим, что вы уделили время, чтобы поделиться своими знаниями с нами сегодня.

CW: Мое удовольствие. Я рад помочь.