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Perguntas e respostas:fabricação de semicondutores no passado, presente e futuro

Fabricação de semicondutores no passado, presente e futuro:perguntas e respostas com o consultor do setor Carl White


A Lei de Moore, um conceito apresentado pela primeira vez pelo cofundador da Intel Gordon E. Moore em 1965, previu que o número de transistores em um circuito integrado (ou microchip) precisará dobrar a cada dois anos, enquanto o custo da computação é reduzido em quase metade, levando a um crescimento exponencial no poder de computação. A indústria de semicondutores trabalhou duro para acompanhar esse paradigma, mas fornecer constantemente mais poder de processamento em menos espaço não é fácil, especialmente quando os concorrentes estão se esforçando para o mesmo objetivo e a demanda do consumidor por tecnologia avançada é constante.



Graças em grande parte à Lei de Moore, “Sinto a necessidade – a necessidade de velocidade!” pode parecer mais uma descrição da vida cotidiana na indústria de semicondutores do que uma citação de Top Gun . Essa foi uma das muitas conclusões importantes de nossa recente conversa com o veterano da indústria Carl White, principal consultor de engenharia da C.L. White Engineering Services, LLC. Depois de passar quase 40 anos trabalhando em empresas em toda a cadeia de suprimentos da indústria de semicondutores, Carl ofereceu uma ótima perspectiva sobre a necessidade implacável de velocidade - tanto no desenvolvimento quanto no poder de processamento. Continue lendo para descobrir o que ele tinha a dizer sobre o que foi necessário para inovar rápido o suficiente para acompanhar a Lei de Moore no passado, quais desafios a indústria de semicondutores está enfrentando atualmente e o que podemos esperar no futuro próximo.

Ponto de referência Swagelok (SRP): Obrigado por se juntar a nós, Carl. Você pode começar nos contando um pouco sobre sua formação?

Carl White: Sou natural do Arizona e estudei gerenciamento de tecnologia industrial e engenharia mecânica na Arizona State antes de iniciar minha carreira na ASM, a OEM de ferramentas de processamento de semicondutores, em 1982. De lá, fui trabalhar na Spectrum CVD, que era de propriedade da Motorola no momento; Materials Research Corporation, que acabou se tornando parte da Sony; Tokyo Electron, também conhecido como TEL; e, eventualmente, Materiais Aplicados. Passei 28 dos meus 38 anos na indústria de semicondutores trabalhando no espaço OEM e os outros 10 anos para um fabricante de chips - Motorola Semiconductor Products Group. Eu me aposentei da ASM no ano passado depois de passar os últimos 15 anos trabalhando na tecnologia ALD (deposição de camada atômica). Agora eu consulto com empresas do setor.

SRP: Parece que você tem uma perspectiva interessante, tendo trabalhado extensivamente nos lados OEM de ferramentas e fabricantes de chips da indústria. O que o levou a passar sua carreira fazendo isso?

CW: É uma indústria muito acelerada. A tecnologia está em constante mudança e isso exigiu criatividade e aprendizado contínuo para quem trabalha no espaço. Não havia chance de ficar entediado! Também foi emocionante ver como os projetos em que trabalhei impulsionaram a mudança, já que a tecnologia de semicondutores é importante em praticamente todos os outros setores.

SRP: Que metatendências você viu impulsionando a evolução da indústria de semicondutores?

CW: No início, era o programa espacial. Mais tarde, foi a tecnologia de consumo. Passamos do uso de réguas de cálculo para calculadoras portáteis para computadores pessoais e smartphones, e isso foi possível devido à evolução da tecnologia de semicondutores. Agora estamos vendo o surgimento de A.I. e veículos autônomos que impulsionam a mudança. A única constante tem sido a necessidade de produzir produtos e transmitir informações mais rapidamente. A nova tecnologia de semicondutores é constantemente necessária para atender à demanda por mais poder de computação.

Há também o impulso que vem da competição pela liderança em inovação de semicondutores. Não é apenas uma competição entre empresas, mas algo que ocorre em escala global. Ao longo do tempo, diferentes países lideraram o desenvolvimento da tecnologia de semicondutores, e essas mudanças dinâmicas às vezes levam a uma maior colaboração no nível da indústria. Por exemplo, 14 empresas de semicondutores sediadas nos EUA uniram-se ao governo dos EUA em 1987 para formar a SEMATECH, o consórcio de fabricação de chips, em um esforço para melhorar a qualidade dos chips que produziam para competir melhor no mercado global. Esse avanço acelerado na indústria de semicondutores nos EUA Na época, muitas empresas estavam tentando fazer tudo... projetar, fabricar e vender tecnologia de chip. Eles aprenderam a se especializar, levando à criação de fundições que fabricam chips para outras empresas, ajudando também a otimizar o avanço do setor.

SRP: Você pode explicar a relação entre a densidade do chip e a evolução da tecnologia de semicondutores e a eletrônica que alimentava? Como isso afetou os equipamentos e componentes necessários para produzir chips?

CW: A miniaturização é uma necessidade constante para acompanhar a Lei de Moore. Para obter mais transistores nos chips, você precisa torná-los cada vez menores. Você também precisa ajustar o equipamento para se alinhar aos avanços do processo de fabricação. Um grande ponto de inflexão foi no final dos anos 1990, início dos anos 2000, quando a indústria mudou de pastilhas de silício de 200 mm para 300 mm como base para chips - isso exigiu grandes mudanças de fabricação e ferramentas. O desenvolvimento de portas high-K (constante dielétrica) para transistores de 45 nm (nanômetros) que permitiam menos vazamento de elétrons foi outro grande passo na busca da miniaturização da indústria. Tive a sorte de trabalhar no desenvolvimento do equipamento que a Intel usou para produzi-los, então a mudança foi emocionante de testemunhar. Agora, por perspectiva, as empresas estão trabalhando na produção de chips de 5 nm.

Em geral, vimos empresas tentando migrar para nós de processo menores – ou seja, a fabricação de tamanhos de recursos de tecnologia de semicondutores menores em um esforço para criar transistores menores, mais rápidos e com maior eficiência energética – tão rapidamente quanto a cada 18 meses. Isso excede a previsão da Lei de Moore (mudando para nós de processo menores a cada dois anos) porque é isso que os concorrentes estão fazendo.

Os fabricantes de semicondutores informam aos OEMs de ferramentas o que eles desejam alcançar em relação ao desempenho do chip e quais processos de produção provavelmente serão necessários. Os OEMs trabalham na fabricação de equipamentos de produção que podem permitir esse tipo de desempenho e, ao fazê-lo, trabalham com empresas como a Swagelok para encontrar componentes existentes ou colaborar na engenharia de novos componentes para habilitar suas ferramentas. Essa colaboração é fundamental para que as empresas de semicondutores acompanhem a velocidade da inovação, pois ajuda os OEMs a receber os componentes de que precisam hoje e ajuda os fabricantes de componentes a antecipar as necessidades futuras do setor.

SRP: A demanda do mercado por aplicativos eletrônicos específicos impulsiona a inovação de semicondutores ou o avanço da tecnologia de chip geralmente antecipa a demanda do mercado?

CW: Pode ir de qualquer maneira. Às vezes, a pressão geral para evoluir constantemente a tecnologia de semicondutores pode levar a avanços antes que o mercado saiba o que fazer com a tecnologia. Por exemplo, na década de 1990, os recursos de computação estavam avançando rapidamente, mas o conhecimento de software e as habilidades necessárias para utilizar todo o poder da tecnologia de chip estavam faltando, de modo que os aplicativos ficaram para trás dos recursos de processamento. Mas em outros casos, pode haver pressão para capacitar os aplicativos existentes a fazer mais – vemos isso mais agora com a necessidade de permitir mais processamento de dados e IA. formulários.

Fundamentalmente, vimos três eras de demanda. Da década de 1960 à década de 1980, tratava-se de habilitar computadores e equipamentos de cálculo. Tínhamos milhares de transistores em chips na época. A partir da década de 1980, vimos a ênfase mudar para habilitar a tecnologia móvel, como laptops e telefones celulares. A essa altura, tínhamos milhões de transistores em um chip. Na última década, a transferência e o armazenamento de dados estão impulsionando a demanda à medida que criamos tecnologias mais conectadas (com o surgimento da Internet das Coisas e dispositivos inteligentes alimentando interações sociais 24 horas por dia) e centradas em dados (com tendências como Big Dados e aprendizado de máquina criando demanda).

SRP: Como a demanda contínua por chips menores, mas mais poderosos, afetou os requisitos de desempenho dos componentes do sistema de fluido usados ​​na fabricação de semicondutores?

CW: A mudança na geometria do chip semicondutor ao longo do tempo levou à necessidade de diferentes produtos de sistema de fluido usados ​​no processo de fabricação do chip. Especialmente à medida que os transistores se tornam menores, é crucial evitar a contaminação no processamento, pois isso pode afetar os rendimentos e a confiabilidade do chip. Processos descontrolados e contaminação de componentes devem ser evitados. Como resultado, a indústria passou de válvulas de fole (maior ciclo de vida) para válvulas diafragma (historicamente mais limpas) que possuem menos “espaço morto” e volume de gás contido, além de menos peças móveis.

Agora, com o lançamento do Swagelok ® ALD20 recentemente, estamos vendo o benefício da alta capacidade de fluxo que vem de uma válvula de fole que ainda oferece o desempenho de pureza ultra-alta (UHP) necessário na fabricação moderna de semicondutores. Isso foi possível em parte porque as técnicas de fabricação melhoraram ao longo do tempo e porque também temos acesso a materiais aprimorados – aço VIM-VAR de alta qualidade e ligas resistentes à corrosão, por exemplo. Há também melhores técnicas de acabamento sendo empregadas, como eletropolimento e passivação, bem como melhores testes antes do lançamento do produto do que costumava haver. No passado, vi algumas empresas correrem até o fim para lançar uma tecnologia primeiro, mas elas não qualificaram seus componentes bem o suficiente, e isso nos causou problemas. É importante saber que os produtos funcionarão imediatamente conforme prometido no espaço de semicondutores; componentes nos quais você pode confiar para serem consistentes e fornecerem desempenho repetível são essenciais.

SRP: Semelhante a uma pergunta anterior, sempre houve mudanças na tecnologia de válvulas para permitir novos processos de produção de chips ou o progresso da fabricação de semicondutores impulsionou as inovações do sistema de fluidos?

CW: As mudanças no processo de fabricação de semicondutores definitivamente desempenharam um papel na definição do que precisamos das válvulas UHP e outros componentes do sistema de fluidos. Quando você fabrica microchips, normalmente está revestindo uma pastilha cristalina – silício, por exemplo – por uma sequência de doses precisas com um gás precursor em uma câmara de deposição para revestir uniformemente a pastilha antes de solidificar. Estamos cada vez mais pegando precursores químicos líquidos e sólidos, sublimando-os usando altas temperaturas e processos cuidadosamente controlados, depois usando válvulas UHP para dosá-los nas bolachas. Esses produtos químicos muitas vezes podem ser instáveis ​​e ter características agressivas e corrosivas, tornando-os difíceis de trabalhar de forma eficaz.

Contamos com os processos de deposição de camada atômica (ALD) e gravação de camada atômica (ALE) muitas vezes porque a deposição de vapor químico (CVD) e os precursores que usamos nesse processo não podem ser controlados com eficácia suficiente para facilitar a fabricação de chips no pequeno tamanho do transistor que usamos. veja hoje. São essas mudanças nos processos e na química - por exemplo, a indústria mudou para as interconexões de cobre do alumínio na década de 1990 devido à sua maior condutividade - que exigem mudanças nos componentes.

Desde o início, os OEMs de ferramentas perceberam que os rendimentos de cavacos decepcionantes eram frequentemente causados ​​por problemas de processo, e não por equipamentos defeituosos. Umidade, produtos químicos reativos expostos à atmosfera, partículas formando resíduos nas válvulas e impedindo-as de vedar – todos esses foram desafios enfrentados pela indústria. Aprendemos à medida que evoluímos para controlar os desafios do processo, geralmente por meio de componentes avançados de sistemas de fluidos e projetos de sistemas. Isso afetou positivamente nossos resultados, mas também afetou os processos de fabricação de chips e os requisitos de desempenho dos componentes de habilitação.

SRP: Se esse é um quadro histórico da evolução da fabricação de semicondutores, quais desafios o setor enfrenta hoje e como isso afeta os requisitos de componentes do sistema de fluidos?

CW: Para alcançar o próximo estágio de fabricação de chips, precisamos de controle confiável do produto, repetibilidade e consistência na fabricação de válvulas. Ferramentas semicondutoras requerem várias válvulas UHP e é difícil ter um desempenho perfeitamente uniforme de válvula para válvula, mas precisamos dessa consistência de fabricação. Não se trata apenas de um produto de alta qualidade, mas da mesma qualidade de válvula em válvula.

Além disso, a mudança de temperatura é importante. Precisamos de consistência de desempenho em temperaturas e taxas de fluxo mais altas. Há mais ênfase na fabricação de chips 3D NAND agora, o que significa que mais materiais estão sendo colocados em fendas mais profundas nos chips à medida que os transistores são empilhados uns sobre os outros, então você precisa obter mais mídia precursora dosada no wafer - talvez 200 vezes mais gás - para revestir eficazmente esses locais. Há tolerâncias cada vez mais apertadas, e isso significa menos tolerância à variabilidade.

"Para alcançar o próximo estágio de fabricação de chips, precisamos de controle confiável do produto, repetibilidade e consistência na fabricação de válvulas."



SRP:
Além de dosagem precisa, estabilidade de temperatura e capacidade de fluxo, o que mais a indústria precisa das válvulas UHP para continuar a cumprir a Lei de Moore?

CW: Também temos que manter o foco na limpeza e na resistência à corrosão. A ciência dos materiais é importante aqui. Por exemplo, a válvula ALD20 usa Alloy 22 (Hastelloy ® C22) no fole porque é um material que pode resistir a produtos químicos altamente corrosivos. Mas por melhor que seja, mesmo esse material não é ideal em todos os processos. Um revestimento especial pode ser necessário para lidar com diferentes químicas à medida que as geometrias ficam menores e os produtos químicos precursores ficam mais agressivos. Desenvolver esses revestimentos pode ser difícil e caro, mas temos cada vez menos tolerância à corrosão em nossos processos.



É por isso que é fundamental que os fornecedores de soluções de sistemas de fluidos trabalhem em estreita colaboração com fabricantes OEM e de semicondutores à medida que desenvolvem novos produtos. A colaboração foi importante quando a Swagelok introduziu as primeiras válvulas ALD décadas atrás e continua sendo mais importante do que nunca. Às vezes, isso significa trabalhar com OEMs de ferramentas, mas como as demandas em suas ferramentas são direcionadas por fabricantes de cavacos, às vezes você precisará trabalhar diretamente com as fábricas também. Trata-se de resolver problemas juntos e descobrir o que faz sentido com base nos ciclos de desenvolvimento das empresas envolvidas. Mas é essa colaboração que permitirá a tecnologia de amanhã.

SRP: Como foi a colaboração com fornecedores durante sua carreira? Como você experimentou isso pessoalmente?

CW: No início da minha carreira, quando estava na ASM, colaborei com a Swagelok no desenvolvimento do Swagelok ® Válvula de diafragma UHP série DH. Precisávamos de uma válvula que funcionasse no vácuo a 220º C e fosse menor do que a disponível no mercado na época para que pudéssemos encaixar mais válvulas em um espaço pequeno para obter melhor desempenho de nossas ferramentas ALD. Trabalhei com a Swagelok Southwest e o departamento de engenharia corporativa da Swagelok para testar as opções e, por fim, chegamos a uma ótima solução. O resultado foi uma válvula de diafragma com design de pistão duplo, um novo lubrificante para ajudar a evitar contaminação em uma câmara de vácuo e resistência a temperaturas extremas que duraria mais de 10 milhões de ciclos.

Também foi útil que a equipe Swagelok fosse transparente e disposta a compartilhar protocolos e dados de teste durante todo o processo, o que nem sempre acontece com outros fabricantes. Além disso, como sempre acontece em empreendimentos colaborativos, as pessoas fazem a diferença. Você quer trabalhar com pessoas que facilitem o prazer do seu trabalho, e a equipe com a qual trabalhei neste projeto foi de primeira qualidade. Em minha carreira na indústria de semicondutores, sempre procurei contatos comerciais que quisessem uma situação ganha-ganha ao lidar com seus clientes, não apenas um “nós ganhamos”. Ambos os tipos de empresas estão por aí, então sempre escolhi com cuidado.

SRP: O que vem a seguir para a indústria de semicondutores? Quais desafios precisarão ser superados e o que podemos esperar no futuro próximo?

CW: Um desafio para a indústria será acompanhar as necessidades de escala. Agora que estamos em nós de processo de 7 nm ou 5 nm, para onde vamos a partir daqui? Os materiais e recursos de fabricação existem para manter a tecnologia de miniaturização ainda mais? O empilhamento 3D NAND é uma solução - estamos vendo mais semicondutores empilhados uns sobre os outros, permitindo que três vezes o número de transistores seja empacotado em uma área em comparação com o que tem sido feito tradicionalmente. Uma nova tecnologia está sendo trabalhada para facilitar isso, como a tecnologia que permite a deposição seletiva, permitindo que você deposite apenas onde quiser em um wafer, em vez de revestir toda a superfície.

Os materiais também estão mudando. A indústria está olhando para o carboneto de silício como base para wafers em vez de silício. O silício é fácil de encontrar e barato, por isso foi amplamente adotado, mas pudemos ver materiais como o germânio voltarem a ser usados, pois são necessários diferentes materiais para fornecer energia aos transistores em tamanhos minúsculos. Outros materiais rápidos e promissores foram investigados ao longo do tempo, mas os processos de fabricação ou os requisitos de chips podem não ter tornado esses materiais especiais caros economicamente viáveis. Agora, podemos precisar deles.

Não são apenas os materiais de wafer que precisarão mudar, mas nossos processos:o que depositamos, como gravamos e assim por diante. Métodos mais novos, como litografia ultravioleta extrema (EUV), estão sendo empregados, mas uma vez que começamos a trabalhar com transistores menores que 5-3 nm, isso pode não funcionar por muito mais tempo. O custo se torna exponencialmente maior quanto menor você for, então podemos ver mais fornecedores especializados tentando manter a Lei de Moore ao invés de todos, porque vai ficar muito caro fazê-lo.

SRP: Obrigado pela perspectiva, Carl. Você tem alguma palavra final de sabedoria para profissionais de semicondutores que preenchem o tipo de função que ocupou no passado?

CW: Se uma coisa é certa, é que continuaremos vendo o avanço, mesmo que nem sempre possamos ver como isso acontecerá. A única coisa com a qual você pode contar é a necessidade de relacionamentos fortes e colaboração para chegar onde deseja.

Quando você tem uma necessidade especializada, nem sempre é tão simples quanto comprar um produto na prateleira para atendê-la; às vezes você precisa trabalhar com parceiros para desenvolver uma solução de última geração. Quando você fizer isso, procure empresas que tenham os recursos de engenharia e a mentalidade colaborativa para ajudá-lo a chegar onde você deseja ir. Você precisa de colaboradores que ouçam suas necessidades, nunca prometam nada que não possam fazer e que não sacrifiquem a qualidade apenas para fazer você feliz. É um risco que você corre com muitas empresas ao se mover rapidamente, então saiba em quem você pode confiar. Construir relacionamentos é a melhor coisa que você pode fazer para construir resultados.

“…procure empresas que tenham recursos de engenharia e mentalidade colaborativa para ajudá-lo a chegar onde deseja. Você precisa de colaboradores que ouçam suas necessidades…”



SRP:
Obrigado, Carl! Agradecemos por dedicar um tempo para compartilhar seu conhecimento conosco hoje.

CW: O prazer é meu. fico feliz em ajudar.



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