Вопросы и ответы:производство полупроводников в прошлом, настоящем и будущем

Прошлое, настоящее и будущее производства полупроводников:вопросы и ответы с отраслевым консультантом Карлом Уайтом

Закон Мура, концепция, впервые выдвинутая соучредителем Intel Гордоном Э. Муром в 1965 году, предсказывала, что количество транзисторов в интегральной схеме (или микрочипе) должно будет удваиваться каждые два года, в то время как стоимость вычислений снижается на столько же. почти вдвое, что приводит к экспоненциальному росту вычислительной мощности. Полупроводниковая промышленность упорно трудилась, чтобы не отставать от этой парадигмы, но постоянно обеспечивать большую вычислительную мощность на меньшем пространстве непросто, особенно когда конкуренты стремятся к той же цели, а потребительский спрос на передовые технологии неизменен.

Во многом благодаря закону Мура:«Я чувствую потребность — потребность в скорости!» может больше походить на описание повседневной жизни в полупроводниковой промышленности, чем на цитату из Top Gun . Это один из многих ключевых выводов из нашей недавней беседы с ветераном отрасли Карлом Уайтом, главным техническим консультантом C.L. Уайт Инжиниринг Сервисез, ООО. Проработав почти 40 лет на предприятиях по всей цепочке поставок полупроводниковой промышленности, Карл предложил отличный взгляд на неослабевающую потребность в скорости — как в разработке, так и в вычислительной мощности. Читайте дальше, чтобы узнать, что он должен был сказать о том, что требовалось для инноваций достаточно быстро, чтобы не отставать от закона Мура в прошлом, с какими проблемами полупроводниковая промышленность сталкивается в настоящее время и что мы можем ожидать в ближайшем будущем.

Эталонная точка Swagelok (SRP): Спасибо, что присоединился к нам, Карл. Не могли бы вы для начала рассказать нам немного о своем прошлом?

Карл Уайт: Я уроженец Аризоны, и я изучал управление промышленными технологиями и машиностроение в штате Аризона, прежде чем начать свою карьеру в ASM, OEM-производителе инструментов для обработки полупроводников, в 1982 году. Оттуда я перешел на работу в Spectrum CVD, который принадлежал Motorola. в это время; Materials Research Corporation, которая со временем стала частью Sony; Tokyo Electron, также известный как TEL; и, наконец, прикладные материалы. Я провел 28 из моих 38 лет в полупроводниковой промышленности, работая в области OEM, а остальные 10 лет я провел в производителе микросхем — Motorola Semiconductor Products Group. Я ушел из ASM в прошлом году, проработав последние 15 лет над технологией ALD (атомно-слоевого осаждения). Сейчас я консультирую компании отрасли.

Рекомендуемая ставка: Похоже, у вас интересная перспектива, поскольку вы много работали с OEM-производителями инструментов и производителями микросхем. Что побудило вас посвятить свою карьеру этому?

КВ: Это очень быстро развивающаяся отрасль. Технологии постоянно меняются, и это требует творчества и постоянного обучения от тех из нас, кто работает в космосе. Не было возможности скучать! Также было интересно наблюдать, как менялись конструкции, над которыми я работал, поскольку полупроводниковые технологии важны почти во всех других отраслях.

Рекомендуемая ставка: Какие метатенденции, по вашему мнению, влияют на эволюцию полупроводниковой отрасли?

КВ: Сначала это была космическая программа. Позже это были бытовые технологии. Мы перешли от использования логарифмических линеек к карманным калькуляторам, персональным компьютерам и смартфонам, и это стало возможным благодаря развитию полупроводниковых технологий. Сейчас мы наблюдаем появление А.И. и изменения вождения автономных транспортных средств. Одной неизменной была потребность производить продукты и быстрее передавать информацию. Новые полупроводниковые технологии постоянно требуются для удовлетворения спроса на большую вычислительную мощность.

Существует также движущая сила конкуренции за лидерство в полупроводниковых инновациях. Это не просто конкуренция между компаниями, а нечто глобальное. Со временем разные страны возглавили разработку полупроводниковых технологий, и эти динамичные изменения иногда приводят к более тесному сотрудничеству на отраслевом уровне. Например, 14 американских полупроводниковых компаний объединились с правительством США в 1987 году, чтобы сформировать SEMATECH, консорциум по производству микросхем, чтобы улучшить качество производимых ими микросхем, чтобы лучше конкурировать на мировом рынке. Это ускорило развитие полупроводниковой промышленности в США. В то время многие компании пытались заниматься всем… проектированием, производством и продажей микросхем. Они научились специализироваться, что привело к созданию литейных цехов, производящих чипы для других компаний, что также помогло ускорить развитие отрасли.

Рекомендуемая ставка: Можете ли вы объяснить взаимосвязь между плотностью микросхем и развитием полупроводниковых технологий и электроники, на которых они основаны? Как это повлияло на оборудование и компоненты, необходимые для производства чипов?

КВ: Миниатюризация — это постоянная необходимость, чтобы не отставать от закона Мура. Чтобы получить больше транзисторов на микросхемах, нужно делать их все меньше и меньше. Вы также должны настроить оборудование в соответствии с достижениями производственного процесса. Основной переломный момент пришелся на конец 1990-х — начало 2000-х годов, когда промышленность перешла с кремниевых пластин диаметром 200 мм на 300 мм в качестве основы для чипов — это потребовало серьезных изменений в производстве и инструментах. Разработка затворов с высоким значением K (диэлектрическая проницаемость) для 45-нанометровых транзисторов, позволяющих уменьшить утечку электронов, стала еще одним важным шагом в стремлении отрасли к миниатюризации. Мне посчастливилось работать над разработкой оборудования, которое Intel использовала для их производства, так что наблюдать за изменениями было интересно. Сейчас, на перспективу, компании работают над производством 5-нм чипов.

Как правило, мы видели компании, пытающиеся перейти на меньшие технологические узлы — то есть производство элементов полупроводниковой технологии меньшего размера, чтобы создать меньшие, более быстрые и более энергоэффективные транзисторы — так быстро, как каждые 18 месяцев. Это превышает предсказание закона Мура (переход на более мелкие технологические узлы каждые два года), потому что это то, что делают конкуренты.

Производители полупроводников сообщают OEM-производителям инструментов, чего они хотят достичь в отношении производительности чипов, и какие производственные процессы для этого потребуются. OEM-производители работают над созданием производственного оборудования, которое может обеспечить такую ​​​​производительность, и при этом они сотрудничают с такими компаниями, как Swagelok, чтобы найти существующие компоненты или сотрудничать в разработке новых компонентов для их инструментов. Это сотрудничество имеет решающее значение, если полупроводниковые компании собираются идти в ногу со скоростью инноваций, поскольку оно помогает OEM-производителям получать компоненты, которые им нужны сегодня, а производителям компонентов — предвидеть будущие потребности отрасли.

Рекомендуемая ставка: Является ли рыночный спрос на конкретные приложения электроники движущей силой полупроводниковых инноваций, или развитие технологии микросхем обычно опережает рыночный спрос?

КВ: Это может пойти в любом случае. Иногда общее стремление к постоянному развитию полупроводниковых технологий может привести к прорыву еще до того, как рынок поймет, что с этой технологией делать. Например, в 1990-х годах вычислительные возможности быстро развивались, но не хватало знаний и навыков в области программного обеспечения, необходимых для использования всей мощности технологии микросхем, поэтому приложения отставали от вычислительных возможностей. Но в других случаях может возникнуть потребность в расширении возможностей существующих приложений — мы видим, что теперь это больше, поскольку необходимо обеспечить большую обработку данных и искусственный интеллект. Приложения.

По сути, мы видели три эпохи спроса. С 1960-х по 1980-е годы речь шла о компьютерах и вычислительном оборудовании. Тогда у нас были тысячи транзисторов на микросхемах. Начиная с 1980-х годов акцент сместился на использование мобильных технологий, таких как ноутбуки и сотовые телефоны. К этому моменту у нас были миллионы транзисторов на чипе. В последнее десятилетие передача и хранение данных стимулируют спрос по мере того, как мы создаем технологии, которые более взаимосвязаны (с появлением Интернета вещей и интеллектуальных устройств, обеспечивающих круглосуточное социальное взаимодействие) и ориентированы на данные (с такими тенденциями, как Big Данные и машинное обучение создают спрос).

Рекомендуемая ставка: Как постоянный спрос на меньшие, но более мощные микросхемы повлиял на требования к производительности компонентов жидкостных систем, используемых в производстве полупроводников?

КВ: Изменение геометрии полупроводниковых чипов с течением времени привело к потребности в различных жидкостных системах, используемых в процессе производства чипов. Поскольку транзисторы становятся меньше, крайне важно избегать загрязнения при обработке, так как это может повлиять на выход и надежность микросхемы. Следует избегать неконтролируемых процессов и загрязнения компонентов. В результате отрасль перешла от сильфонных клапанов (с более высоким сроком службы) к мембранным клапанам (исторически более чистым), которые имеют меньше «мертвого пространства» и объема содержащегося газа, а также меньше движущихся частей.

Теперь, с выпуском Swagelok ^® ALD20 недавно мы увидели преимущество высокой пропускной способности сильфонного клапана, который по-прежнему обеспечивает характеристики сверхвысокой чистоты (UHP), необходимые в современном производстве полупроводников. Это стало возможным отчасти благодаря тому, что технологии производства со временем улучшились, а также благодаря тому, что у нас также есть доступ к усовершенствованным материалам — например, к высококачественной стали ВИМ-ВАР и коррозионно-стойким сплавам. Также используются более совершенные методы отделки, такие как электрополировка и пассивация, а также более качественные испытания перед запуском продукта, чем раньше. В прошлом я видел, как некоторые компании мчались к финишу, чтобы первыми запустить технологию, но они недостаточно хорошо квалифицировали свои компоненты, и это создавало нам проблемы. Важно знать, что продукты будут работать «из коробки», как и было обещано в области полупроводников; компоненты, которым вы можете доверять, чтобы быть последовательными и обеспечивать воспроизводимую производительность, имеют решающее значение.

Рекомендуемая ставка: Как и в предыдущем вопросе, всегда ли технология клапанов менялась, чтобы обеспечить новые процессы производства микросхем, или прогресс в производстве полупроводников привел к инновациям в жидкостных системах?

КВ: Изменения в процессе производства полупроводников определенно сыграли свою роль в определении того, что нам нужно от клапанов сверхвысокого давления и других компонентов жидкостной системы. Когда вы производите микрочипы, вы обычно покрываете кристаллическую пластину — например, кремний — серией точных доз газа-предшественника в камеру осаждения, чтобы равномерно покрыть пластину до затвердевания. Мы все чаще берем жидкие и твердые химические вещества-прекурсоры, сублимируем их с использованием высоких температур и тщательно контролируемых процессов, а затем используем клапаны сверхвысокого давления для дозирования их на пластины. Эти химические вещества часто могут быть нестабильными и иметь агрессивные, коррозионные характеристики, что затрудняет эффективную работу с ними.

Мы часто полагаемся на процессы атомно-слоевого осаждения (ALD) и атомно-слоевого травления (ALE), потому что химическое осаждение из газовой фазы (CVD) и прекурсоры, которые мы использовали в этом процессе, нельзя контролировать достаточно эффективно, чтобы облегчить производство микросхем при небольшом размере транзистора, который мы используем. увидеть сегодня. Именно эти изменения в процессах и химии — например, в 1990-х годах промышленность перешла на медные межсоединения с алюминия из-за его более высокой проводимости — требуют замены компонентов.

С самого начала OEM-производители инструмента осознали, что неудовлетворительный выход чипов часто был вызван технологическими проблемами, а не неисправным оборудованием. Влага, реактивные химические вещества, попадающие в атмосферу, частицы, образующие осадок в клапанах и препятствующие их герметизации, — все это проблемы, с которыми столкнулась отрасль. По мере нашего развития мы научились контролировать технологические проблемы, часто с помощью усовершенствованных компонентов жидкостной системы и системных конструкций. Это положительно повлияло на наши результаты, но также повлияло на процессы производства микросхем и требования к производительности вспомогательных компонентов.

Рекомендуемая розничная цена: Если это историческая картина эволюции производства полупроводников, какие проблемы стоят перед отраслью сегодня и как это влияет на требования к компонентам жидкостных систем?

КВ: Чтобы перейти к следующему этапу производства чипов, нам нужен надежный контроль продукта, повторяемость и согласованность производства клапанов. Для полупроводниковых инструментов требуется множество клапанов сверхвысокого давления, и трудно добиться идеальной одинаковой производительности от клапана к клапану, но нам нужна эта производственная согласованность. Речь идет не только о высококачественном продукте, но и об одном и том же качестве от клапана к клапану.

Также имеет значение изменение температуры. Нам нужна постоянство производительности при более высоких температурах и скоростях потока. В настоящее время больше внимания уделяется производству чипов 3D NAND, что означает, что в более глубокие щели на чипах помещается больше материалов, поскольку транзисторы укладываются друг на друга, поэтому вам нужно нанести на пластину больше исходной среды — возможно, в 200 раз больше газа — для эффективного покрытия этих мест. Допуски постоянно ужесточаются, а это означает меньше допусков на изменчивость.

"Чтобы выйти на следующий этап производства микросхем, нам нужен надежный контроль продукции, повторяемость и согласованность производства клапанов".

Рекомендуемая розничная цена: Помимо точного дозирования, температурной стабильности и пропускной способности, что еще нужно отрасли от клапанов сверхвысокого давления, чтобы соответствовать закону Мура?

КВ: Мы также должны уделять особое внимание чистоте и коррозионной стойкости. Здесь важно материаловедение. Например, в клапане ALD20 используется сплав 22 (Hastelloy ^® C22) в сильфонах, потому что это материал, который может противостоять сильно коррозионным химическим веществам. Но каким бы прекрасным он ни был, даже этот материал не идеален во всех процессах. Может потребоваться специальное покрытие для работы с различными химическими веществами, поскольку геометрия становится меньше, а химические вещества-прекурсоры становятся более агрессивными. Разработка этих покрытий может быть сложной и дорогой, но наши процессы все менее и менее устойчивы к коррозии.

Вот почему так важно, чтобы поставщики решений для жидкостных систем работали в тесном контакте как с OEM-производителями, так и с производителями полупроводников, когда они разрабатывают новые продукты. Когда несколько десятилетий назад компания Swagelok представила первые клапаны ALD, сотрудничество было важным, и оно остается важным как никогда. Иногда это означает работу с OEM-производителями инструментов, но, поскольку требования к их инструментам определяются производителями микросхем, иногда вам также необходимо работать напрямую с производителями. Речь идет о совместном решении проблем и выяснении того, что имеет смысл, исходя из циклов разработки вовлеченных компаний. Но именно это сотрудничество позволит создать технологии завтрашнего дня.

Рекомендуемая ставка: Как выглядело сотрудничество с поставщиками на протяжении вашей карьеры? Как вы это испытали лично?

КВ: В начале своей карьеры, когда я работал в ASM, я сотрудничал со Swagelok в разработке Swagelok ^® Мембранный клапан UHP серии DH. Нам нужен был клапан, который работал бы в вакууме при температуре 220º C и был бы меньше, чем то, что было доступно на рынке в то время, чтобы мы могли разместить больше клапанов на небольшом пространстве, чтобы повысить производительность наших инструментов ALD. Я работал со Swagelok Southwest и корпоративным инженерным отделом Swagelok, чтобы протестировать варианты, и в итоге мы пришли к отличному решению. Результатом стал мембранный клапан с конструкцией двойного поршня, новая смазка, помогающая избежать загрязнения в вакуумной камере, и экстремальная термостойкость, которая продлится более 10 миллионов циклов.

Также было полезно, что команда Swagelok была прозрачна и готова делиться протоколами испытаний и данными на протяжении всего процесса, что не всегда бывает с другими производителями. Кроме того, как всегда в случае совместных усилий, люди имеют значение. Вы хотите работать с людьми, которые помогут вам получать удовольствие от своей работы, и команда, с которой я работал над этим проектом, была на высшем уровне. В своей карьере в полупроводниковой отрасли я всегда искал деловые контакты, которые хотят взаимовыгодной ситуации при работе со своими клиентами, а не просто «мы выиграем». Оба вида компаний там, поэтому я всегда тщательно выбирал.

Рекомендуемая ставка: Что ждет полупроводниковую промышленность в будущем? Какие проблемы необходимо будет преодолеть и чего нам ожидать в ближайшем будущем?

КВ: Одной из задач отрасли будет удовлетворение потребностей в масштабировании. Теперь, когда мы находимся на 7-нм или 5-нм технологических узлах, куда нам двигаться дальше? Существуют ли материалы и производственные возможности для дальнейшей миниатюризации технологии? Стекирование 3D NAND — это одно из решений:мы видим, что все больше полупроводников укладываются друг на друга, что позволяет разместить в одной области в три раза больше транзисторов по сравнению с тем, что делалось традиционно. Чтобы облегчить это, разрабатываются новые технологии, такие как технология селективного осаждения, позволяющая наносить на пластину только там, где вы хотите, а не покрывать всю поверхность.

Материалы тоже меняются. Промышленность рассматривает карбид кремния как основу для пластин, а не кремний. Кремний легко найти и он недорогой, поэтому он получил широкое распространение, но мы могли видеть, что такие материалы, как германий, снова стали использоваться, поскольку для питания транзисторов крошечных размеров необходимы другие материалы. Другие быстродействующие, многообещающие материалы были исследованы с течением времени, но производственные процессы или требования к чипам, возможно, не сделали эти дорогие специальные материалы экономически жизнеспособными. Теперь они могут нам понадобиться.

Необходимо будет изменить не только материалы пластин, но и наши процессы:что мы наносим, ​​как мы травим и так далее. Используются более новые методы, такие как литография в экстремальном ультрафиолете (EUV), но как только мы начнем работать над транзисторами размером менее 5–3 нм, это может не работать намного дольше. Стоимость становится экспоненциально выше, чем меньше вы идете, поэтому мы можем увидеть больше специализированных поставщиков, пытающихся не отставать от закона Мура, а не всех, потому что это станет слишком дорогим.

Рекомендуемая ставка: Спасибо за перспективу, Карл. Есть ли у вас какие-нибудь последние советы профессионалам в области полупроводников, занимающим те же должности, что и вы?

КВ: Если одно можно сказать наверняка, так это то, что мы будем продолжать видеть прогресс, даже если мы еще не всегда можем увидеть, как он будет происходить. Единственное, на что вы можете рассчитывать, — это потребность в крепких отношениях и сотрудничестве, чтобы добиться того, чего вы хотите.

Когда у вас есть особая потребность, это не всегда так просто, как купить продукт с полки, чтобы удовлетворить ее; иногда вам приходится работать с партнерами для разработки решения следующего поколения. Когда вы это сделаете, ищите компании, у которых есть инженерные возможности и совместный образ мышления, которые помогут вам достичь того, чего вы хотите. Вам нужны сотрудники, которые выслушают ваши потребности, никогда не обещают того, чего не могут сделать, и которые не пожертвуют качеством только для того, чтобы сделать вас счастливыми. Со многими компаниями вы рискуете, когда двигаетесь быстро, поэтому узнайте, кому вы можете доверять. Построение отношений — это лучшее, что вы можете сделать для достижения результатов.

«…ищите компании, обладающие инженерными возможностями и способные к сотрудничеству, которые помогут вам достичь желаемого. Вам нужны сотрудники, которые прислушаются к вашим потребностям…”

Рекомендуемая ставка: Спасибо, Карл! Благодарим вас за то, что вы нашли время поделиться с нами своими знаниями.

КВ: Не за что. Я рад помочь.