Evolução dos Semicondutores Revelada: Passado, Presente e Futuro – Perguntas e Respostas com Especialista

Fabricação de Semicondutores: Passado, Presente e Futuro - Uma Pergunta e Resposta com o Consultor da Indústria 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) precisaria dobrar a cada dois anos enquanto o custo da computação seria reduzido em até metade, levando a um crescimento exponencial no poder de computação. A indústria de semicondutores trabalhou duro para acompanhar este paradigma, mas fornecer constantemente mais poder de processamento em menos espaço não é fácil, especialmente quando competidores estão buscando o mesmo objetivo e a demanda do consumidor por tecnologia avançada é constante.

Graças em grande parte à Lei de Moore, "Eu sinto a necessidade — a necessidade de velocidade!" pode parecer mais uma descrição da vida diária na indústria de semicondutores do que uma citação retrô de Top Gun. Este foi um dos muitos insights principais de nossa conversa recente com o veterano da indústria Carl White, consultor principal de engenharia na C.L. White Engineering Services, LLC. Após passar quase 40 anos trabalhando em negócios por toda a cadeia de suprimentos da indústria de semicondutores, Carl ofereceu grande 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 enfrenta atualmente e o que podemos esperar ver no futuro próximo.

Ponto de Referência Swagelok (SRP): Obrigado por se juntar a nós, Carl. Pode começar nos contando um pouco sobre seu histórico?

Carl White: Sou nativo do Arizona e estudei gestão de tecnologia industrial e engenharia mecânica na Arizona State antes de iniciar minha carreira na ASM, o OEM de ferramentas de processamento de semicondutores, em 1982. De lá, passei a trabalhar na Spectrum CVD, que era propriedade da Motorola na época; Materials Research Corporation, que eventualmente se tornou parte da Sony; Tokyo Electron, também conhecida como TEL; e eventualmente Applied Materials. 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. Aposentei-me da ASM no ano passado após passar os últimos 15 anos trabalhando em tecnologia ALD (deposição de camada atômica). Agora consulto empresas na indústria.

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

CW: É uma indústria de ritmo muito acelerado. A tecnologia está constantemente mudando e isso exigia criatividade e aprendizado contínuo para aqueles de nós trabalhando no espaço. Não havia chance de ficar entediado! Também era emocionante ver como os projetos em que trabalhei impulsionaram mudanças, já que a tecnologia de semicondutores é importante em praticamente todas as outras indústrias.

SRP: Quais meta-tendências você viu impulsionar a evolução da indústria de semicondutores?

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

Há também a motivação que vem da competição por liderança em inovação de semicondutores. Não é apenas competição entre empresas, mas algo que ocorre em escala global. Ao longo do tempo, diferentes países lideraram o desenvolvimento de tecnologia de semicondutores, e essas mudanças dinâmicas às vezes levam a maior colaboração no nível da indústria. Por exemplo, 14 empresas de semicondutores baseadas nos EUA se uniram 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. Isso acelerou o avanço na indústria de semicondutores nos EUA. Na época, muitas empresas tentavam fazer tudo... projetar, fabricar e vender tecnologia de chips. Elas aprenderam a se especializar, levando à criação de foundries que fazem chips para outras empresas, ajudando a otimizar o avanço da indústria também.

SRP: Pode explicar a relação entre densidade de chip e a evolução da tecnologia de semicondutores e a eletrônica que ela alimentou? Como isso afetou o equipamento e componentes necessários para produzir chips?

CW: Miniaturização é uma necessidade constante para acompanhar a Lei de Moore. Para obter mais transistores em chips, você precisa torná-los cada vez menores. Você também tem que ajustar o equipamento para alinhar com avanços no processo de fabricação. Um ponto de inflexão importante foi no final dos anos 1990, início dos anos 2000, quando a indústria passou de wafers de silício de 200 mm para 300 mm como base para chips — isso exigiu grandes mudanças na fabricação e ferramentas. O desenvolvimento de gates high-K (constante dielétrica) para transistores de 45 nm (nanômetro) que permitiram menos vazamento de elétrons foi outro grande passo na busca da indústria pela miniaturização. Tive a sorte de trabalhar no desenvolvimento do equipamento que a Intel usou para produzir estes, então a mudança foi emocionante de testemunhar. Agora, para perspectiva, empresas estão trabalhando em produção de chips de 5 nm.

Em geral, vimos empresas tentando mover para nós de processo menores — significando a fabricação de tamanhos de característica de tecnologia de semicondutor menores em um esforço para criar transistores menores, mais rápidos e mais eficientes em energia — tão rapidamente quanto a cada 18 meses. Isso excede a previsão da Lei de Moore (mover para nós de processo menores a cada dois anos) porque é isso que os competidores estão fazendo.

Fabricantes de semicondutores dizem aos OEMs de ferramentas o que querem alcançar no que diz respeito ao desempenho do chip, e quais processos de produção isso provavelmente exigirá. Os OEMs trabalham em fazer equipamentos de produção que possam permitir esse tipo de desempenho, e ao fazer isso, trabalham com empresas como a Swagelok para encontrar componentes existentes ou colaborar na engenharia de novos componentes para permitir suas ferramentas. Esta colaboração é crítica se empresas de semicondutores vão acompanhar 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 da indústria.

SRP: A demanda de mercado por aplicações eletrônicas específicas impulsiona a inovação de semicondutores, ou o avanço da tecnologia de chips geralmente antecipa a demanda de 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, nos anos 1990, as capacidades de computação estavam avançando rapidamente, mas o conhecimento e habilidades de software necessários para utilizar todo o poder da tecnologia de chips eram carentes, então as aplicações ficaram atrás das capacidades de processamento. Mas em outros casos, pode haver pressão para capacitar aplicações existentes a fazer mais — vemos isso mais agora com a necessidade de permitir mais processamento de dados e aplicações de IA.

Fundamentalmente, vimos três eras de demanda. Dos anos 1960 aos 1980, era tudo sobre permitir computadores e equipamentos de cálculo. Tínhamos milhares de transistores em chips então. A partir dos anos 1980, vimos a ênfase mudar para permitir tecnologia móvel como laptops e celulares. Tínhamos milhões de transistores em um chip neste ponto. Na última década, transferência e armazenamento de dados está impulsionando a demanda à medida que criamos tecnologia mais conectada (com o surgimento da Internet das Coisas e dispositivos inteligentes alimentando interações sociais 24/7) e centrada em dados (com tendências como Big Data e machine learning criando demanda).

SRP: Como a demanda contínua por chips menores, mas mais poderosos afetou os requisitos de desempenho de componentes de sistemas de fluidos usados na fabricação de semicondutores?

CW: A mudança na geometria do chip de semicondutor ao longo do tempo impulsionou a necessidade de diferentes produtos de sistemas de fluidos usados no processo de fabricação de chips. Especialmente à medida que os transistores se tornaram menores, é crucial evitar contaminação no processamento, pois isso pode afetar rendimentos e confiabilidade do chip. Processos não controlados e contaminação de componentes devem ser evitados. Como resultado, a indústria mudou de válvulas de fole (maior vida útil de ciclos) para válvulas de diafragma (historicamente mais limpas) que têm menos "espaço morto" e volume de gás contido, bem como menos partes móveis.

Agora, com o lançamento recente da válvula Swagelok^® ALD20, estamos vendo o benefício da alta capacidade de fluxo que vem de uma válvula de fole que ainda oferece o desempenho de ultra-alta pureza (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. Também há melhores técnicas de acabamento sendo empregadas, como eletropolimento e passivação, bem como melhores testes antes de lançamentos de produtos do que costumava haver. No passado, vi algumas empresas correrem para o acabamento para lançar uma tecnologia primeiro, mas não qualificaram seus componentes bem o suficiente, e isso nos causou problemas. É importante saber que os produtos funcionarão fora da caixa como prometido no espaço de semicondutores; componentes nos quais você pode confiar para serem consistentes e entregar desempenho repetível são críticos.

SRP: Semelhante a uma pergunta anterior, sempre foi a tecnologia de válvulas mudando para permitir novos processos de produção de chips, ou o progresso da fabricação de semicondutores impulsionou inovações em sistemas de fluidos?

CW: Mudanças no processo de fabricação de semicondutores definitivamente desempenharam um papel na definição do que precisamos de válvulas UHP e outros componentes de sistemas de fluidos. Quando você fabrica microchips, você está tipicamente revestindo um wafer cristalino — silício, por exemplo — por uma sequência de doses precisas com um gás precursor em uma câmara de deposição para revestir uniformemente o wafer antes de solidificar. Estamos cada vez mais pegando produtos químicos precursores líquidos e sólidos, sublimando-os usando altas temperaturas e processos cuidadosamente controlados, então usando válvulas UHP para dosá-los nos wafers. Esses produtos químicos podem frequentemente ser instáveis e ter características agressivas e corrosivas, tornando-os desafiadores para trabalhar efetivamente.

Confiamos frequentemente em processos de deposição de camada atômica (ALD) e gravação de camada atômica (ALE) porque a deposição química de vapor (CVD) e os precursores que usávamos naquele processo não podem ser controlados efetivamente o suficiente para facilitar a fabricação de chips no tamanho de transistor pequeno que vemos hoje. São essas mudanças nos processos e química — por exemplo, a indústria mudou para interconexões de cobre do alumínio nos anos 1990 devido à sua maior condutividade — que necessitam mudanças de componentes.

No início, OEMs de ferramentas perceberam que rendimentos decepcionantes de chips eram frequentemente causados por problemas de processo em vez de equipamento defeituoso. Umidade, produtos químicos reativos expostos à atmosfera, partículas formando resíduo em válvulas e impedindo que elas vedassem — estes eram todos desafios que a indústria encontrou. Aprendemos à medida que evoluímos a controlar desafios de processo, frequentemente através de componentes avançados de sistemas de fluidos e designs de sistema. Isso afetou positivamente nossos resultados, mas também afetou processos de fabricação de chips e os requisitos de desempenho de componentes habilitadores.

SRP: Se essa é uma imagem histórica da evolução da fabricação de semicondutores, quais desafios a indústria enfrenta hoje, e como isso está afetando os requisitos de componentes de sistemas de fluidos?

CW: Para atingir o próximo estágio de fabricação de chips, precisamos de controle confiável de produto, repetibilidade e consistência na fabricação de válvulas. Ferramentas de semicondutores requerem numerosas válvulas UHP, e é difícil ter desempenho perfeitamente uniforme de válvula para válvula, mas precisamos dessa consistência de fabricação. Não é apenas sobre um produto de alta qualidade, mas aquela mesma qualidade de válvula para válvula.

Além disso, mudança de temperatura importa. Precisamos de consistência de desempenho em temperaturas e taxas de fluxo mais altas. Há mais ênfase na fabricação de chips 3D NAND agora, significando mais materiais sendo colocados em fendas mais profundas em chips à medida que transistores são empilhados uns sobre os outros, então você precisa obter mais mídia precursora dosada no wafer — talvez 200 vezes mais gás — para revestir efetivamente essas localizações. Há tolerâncias cada vez mais apertadas, e isso significa menos margem para variabilidade.

"Para atingir o próximo estágio de fabricação de chips, precisamos de controle confiável de 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 de válvulas UHP para continuar acompanhando a Lei de Moore?

CW: Temos que manter o foco em limpeza e resistência à corrosão também. Ciência dos materiais é importante aqui. Por exemplo, a válvula ALD20 usa Liga 22 (Hastelloy^® C22) no fole porque é um material que pode resistir a químicas altamente corrosivas. Mas por mais ótimo que seja, mesmo este 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 para corrosão em nossos processos.

É por isso que é fundamental que provedores de soluções de sistemas de fluidos trabalhem em estreita colaboração com fabricantes OEM e de semicondutores enquanto desenvolvem novos produtos. Colaboração era importante quando a Swagelok introduziu as primeiras válvulas ALD décadas atrás, e continua mais importante do que nunca. Às vezes isso significa trabalhar com OEMs de ferramentas, mas como as demandas em suas ferramentas são impulsionadas por fabricantes de chips, às vezes você precisará trabalhar com as fabs diretamente também. Trata-se de resolver problemas juntos e descobrir o que faz sentido baseado nos ciclos de desenvolvimento das empresas envolvidas. Mas é esta colaboração que permitirá a tecnologia de amanhã.

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

CW: No início da minha carreira, quando estava na ASM, colaborei com a Swagelok no desenvolvimento da válvula de diafragma UHP Swagelok^® série DH. Precisávamos de uma válvula que funcionasse no vácuo a 220°C e fosse menor do que o 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 opções, e eventualmente chegamos a uma ótima solução. O resultado foi uma válvula de diafragma com design de duplo pistão, um novo lubrificante para ajudar a evitar contaminação em câmara de vácuo e resistência extrema a temperatura que duraria mais de 10 milhões de ciclos.

Também foi útil que a equipe da Swagelok fosse transparente e disposta a compartilhar protocolos e dados de teste durante todo o processo, o que nem sempre é o caso com outros fabricantes. Também, como é sempre o caso com empreendimentos colaborativos, as pessoas fazem a diferença. Você quer trabalhar com pessoas que tornam fácil para você aproveitar seu trabalho, e a equipe com quem trabalhei neste projeto era de primeira. Na minha carreira na indústria de semicondutores, sempre procurei contatos de negócios que queiram uma situação ganha-ganha ao lidar com seus clientes, não apenas "nós vencemos". Ambos os tipos de empresas existem, então sempre escolhi cuidadosamente.

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 capacidades de fabricação existem para continuar miniaturizando a tecnologia ainda mais? Empilhamento 3D NAND é uma solução — estamos vendo mais semicondutores empilhados uns sobre os outros, permitindo três vezes o número de transistores serem empacotados em uma área comparado ao que tem sido feito tradicionalmente. Nova tecnologia está sendo trabalhada para facilitar isso, como tecnologia de deposição seletiva permitindo que você deposite apenas onde quer em um wafer, em vez de revestir a superfície inteira.

Materiais estão mudando também. A indústria está olhando para carbeto de silício como base para wafers em vez de silício. Silício é fácil de encontrar e barato, então foi amplamente adotado, mas poderíamos ver materiais como germânio voltarem ao uso à medida que diferentes materiais são necessários para fornecer energia a transistores em tamanhos minúsculos. Outros materiais rápidos e promissores foram investigados ao longo do tempo, mas os processos de fabricação ou requisitos de chips podem não ter tornado esses materiais de especialidade 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 começarmos a trabalhar em direção a transistores menores que 5-3 nm, isso pode não funcionar por muito mais tempo. O custo se torna exponencialmente maior quanto menor você vai, então podemos ver mais provedores de especialidade tentando acompanhar a Lei de Moore em vez de todos porque vai ficar muito caro fazer isso.

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

CW: Se uma coisa é certa, é que continuaremos vendo avanço, mesmo se nem sempre pudermos ver como acontecerá ainda. A única coisa em que você pode contar é a necessidade de relacionamentos fortes e colaboração para chegar onde você quer ir.

Quando você tem uma necessidade especializada, nem sempre é tão simples quanto comprar um produto pronta para entrega para resolvê-la; você tem que trabalhar com parceiros para desenvolver uma solução de próxima geração às vezes. Quando você faz, procure empresas que tenham as capacidades de engenharia e a mentalidade colaborativa para ajudar a levá-lo onde você quer ir. Você precisa de colaboradores que ouvirão suas necessidades, nunca prometerão nada que não possam fazer, e que não sacrificarão qualidade apenas para deixá-lo feliz. É um risco que você corre com muitas empresas ao mover rápido, então aprenda em quem você pode confiar. Construir relacionamentos é a melhor coisa que você pode fazer para construir resultados.

"...procure empresas que tenham as capacidades de engenharia e a mentalidade colaborativa para ajudar a levá-lo onde você quer ir. Você precisa de colaboradores que ouvirão suas necessidades..."

SRP: Obrigado, Carl! Agradecemos você ter dedicado tempo para compartilhar seu conhecimento conosco hoje.

CW: Meu prazer. Fico feliz em ajudar.