Cum îi ajută automatizarea pe producătorii americani să extindă producția de semiconductori

Semiconductorii sunt esențiali pentru toată electronica modernă, pentru distribuția de energie și pentru generarea de energie regenerabilă. Produsele semiconductoare variază de la simple componente discrete, cum ar fi tranzistoare și diode, la circuite integrate complexe sau circuite integrate. Dispozitivele semiconductoare se află adesea la baza porților logice care se combină pentru a crea circuite digitale. De asemenea, acestea se regăsesc în oscilatoare, senzori, amplificatoare analogice, celule fotovoltaice, leduri, lasere și convertoare de putere. Categoriile de produse din industrie includ memorii, logică, circuite integrate analogice, microprocesoare, dispozitive de putere discrete și senzori.

Figura 1: Fabricarea de circuite integrate și alte produse semiconductoare necesită echipamente speciale. (Sursa imaginii: Getty Images)

În ciuda naturii critice a semiconductorilor, o mare parte a lumii este dependentă de lanțuri de aprovizionare globale nediversificate și, prin urmare, vulnerabile. Acest lucru se datorează economiilor de scară foarte importante care fac ca producția puternic consolidată să fie mai competitivă din punct de vedere economic. La urma urmei, construcția instalațiilor de fabricare a semiconductorilor costă miliarde de euro și necesită un personal foarte bine calificat.

Figura 2: Motoarele liniare, transmisiile cu curea și ghidajele liniare miniaturale cu șină profilată sunt doar câteva dintre echipamentele de precizie din utilajele de prelucrare a semiconductorilor. (Sursa imaginii: Getty Images)

Cele mai multe fabrici (turnătorii) se află în Taiwan, Japonia, China, SUA și Germania și funcționează de zeci de ani. Cu toate acestea, mai mult de jumătate din totalul semiconductoarelor și peste 90% din toate semiconductoarele avansate sunt fabricate în Taiwan, toți marii producători de electronice utilizând o singură fabrică taiwaneză de semiconductori pentru cel puțin o parte din producția de semiconductori. Tensiunile geopolitice recente au scos în evidență pericolele unei astfel de dependențe. Legea din 2022 privind crearea de stimulente utile pentru producerea de semiconductori (CHIPS) și știință urmărește să abordeze această problemă prin stimularea operatorilor și a furnizorilor de automatizare pentru a stabili și a extinde producția de semiconductori din SUA.

Situația producției de semiconductori

Majoritatea materialelor sunt fie buni conductori de electricitate, cum ar fi metalele, fie izolatori, cum ar fi sticla. Semiconductorii au o conductivitate electrică între cea a conductorilor și a izolatorilor; această conductivitate este ajustată prin introducerea de impurități în structura cristalină printr-un proces numit dopaj. Doparea cu un element donor de electroni conferă o sarcină negativă pentru un semiconductor de tip n. În schimb, doparea cu un element acceptor de electroni creează găuri cu sarcină pozitivă pentru un semiconductor de tip p. Două regiuni adiacente, dar diferit dopate, dintr-un singur cristal formează o joncțiune p-n semiconductoare. Tranzistoarele pot fi dispuse cu joncțiuni NPN sau PNP.

Siliciul este, de departe, cel mai răspândit material semiconductor. Dopanții obișnuiți de tip n sunt fosforul și arsenicul, în timp ce dopanții obișnuiți de tip p sunt borul și galiul.

Figura 3: Robotul cu șase axe din această mașină Jabil Precision Automation Solutions execută sarcini legate de sortarea automată a reticulelor fără a compromite mediul de cameră sterilă. (Sursa imaginii: Omron Automation Americas)

Cea mai avansată tehnologie de fabricare a semiconductorilor generează produse cu caracteristici la scară nanometrică între 1 și 100 nm. Deoarece un nanometru reprezintă o miliardime de metru, iar distanța dintre atomii individuali într-un solid este cuprinsă între 0,1 și 0,4 nm, nanostructurile moderne de semiconductori s-au apropiat de limita dimensiunii minime posibile a structurilor materiale. Precizia extremă implicată în fabricarea unor astfel de produse necesită procese executate în camere sterile, precum și protejate împotriva vibrațiilor cauzate de activitatea seismică, de avioanele locale, de trenuri, de trafic și de utilajele din apropiere.

Cele mai importante procese de fabricare a circuitelor integrate sunt producția de plăcuțe, litografia și dopajul selectiv – cel mai frecvent prin implantare ionică. Multe fabrici sunt specializate fie în fabricarea de plăcuțe, fie în fabricarea ulterioară a cipurilor, care implică fotolitografie și dopaj. Taiwan Semiconductor (TSMC) produce atât plăcuțe, cât și cipuri; este singura fabrică care produce cipuri avansate de 5 nm și 3 nm. Unii producători de semiconductori, precum Intel și Texas Instruments, au propriile fabrici și se bazează doar pe TSMC pentru a le furniza cele mai avansate cipuri. Cu toate acestea, mulți producători fără fabrică (inclusiv Apple, ARM și Nvidia) se bazează în întregime pe TSMC pentru fabricarea semiconductorilor.

Figura 4: GlobalFoundries a început recent o investiție de 1 miliard de dolari pentru a permite instalației sale existente din statul New York să producă încă 150.000 de plăcuțe pe an. Această nouă capacitate vizează satisfacerea cererii de cipuri bogate în caracteristici pentru aplicațiile auto, 5G și IoT. De asemenea, instalația va sprijini cerințele de securitate națională pentru un lanț de aprovizionare sigur. (Sursa imaginii: GlobalFoundries)

Deși AMD este, practic, fără fabrică, nu depinde de TSMC și și-a fabricat anterior propriile cipuri. AMD și-a desprins afacerea de fabricație și a numit-o GlobalFoundries; aceasta din urmă operează fabrici în SUA, Europa și Singapore. Fabrica sa din New York a produs în trecut cipuri de până la 14 nm; la orizont se întrevăd cipuri de 4 nm și apoi de 3 nm.

Despre procesele specifice de fabricare a cipurilor

O mare parte din producția de semiconductori utilizează procese scalabile de mare randament care permit crearea a milioane de caracteristici individuale (chiar și caracteristici la scară nanometrică) într-o singură etapă. Luați în considerare unele dintre particularități.

Producția de plăcuțe de siliciu: Pepitele de siliciu policristalin sunt topite într-o atmosferă de argon parțial evacuată și apoi trase cu ajutorul unui cristal de sămânță pentru a crește un lingou de siliciu monocristalin – un cilindru cu conuri la capete care se formează la începerea și oprirea procesului. În acest stadiu, la silicon se poate adăuga dopaj uniform.

Figura 5: Aici sunt prezentate mai multe lingouri de siliciu cristalin și discurile care pot fi tăiate din acestea. Conurile încă sunt prezente pe lingouri după tragere și înainte de șlefuire. (Sursa imaginii: Getty Images)

Apoi, lingoul este șlefuit într-un bloc cu un diametru exact și se adaugă o crestătură pentru a indica orientarea cristalului. Blocul este apoi tăiat în plăcuțe cu ajutorul unui ferăstrău cu sârmă; plăcuțele sunt șanfrenate și șlefuite cu ajutorul unor instrumente de șlefuit cu diamant; apoi finisajele de suprafață sunt rafinate prin gravură chimică, tratament termic, lustruire și curățare cu apă ultrapură și substanțe chimice. Înainte de a fi ambalate, plăcuțele se inspectează pentru a verifica dacă sunt plate și fără particule pe ele.

Figura 6: Chiar și produsele de curățare aparent familiare iau forme noi atunci când sunt destinate utilizării în camere sterile. (Sursa imaginii: ACL Staticide Inc.)

Litografie: Circuitele electronice sunt produse prin depunerea unei pelicule subțiri de conductor metalic pe un substrat semiconductor și apoi prin utilizarea litografiei pentru a imprima o mască pentru modelele circuitului, înainte de a elimina prin decapare stratul conductiv rămas. Aceste metode au fost inițial dezvoltate pentru circuite imprimate de dimensiuni mai mari, dar acum sunt utilizate pentru fabricarea la scară nanometrică a circuitelor integrate. Aripioarele metalice sunt imprimate într-un model de rețea, cu cipuri de 5 nm având aripioare distanțate la un pas de aproximativ 20 nm. Sistemele automatizate pentru acest proces special utilizează adesea tehnologii de acționare directă, precum și baze și software de stabilizare și chiar lagăre cu aer.

Figura 7: Structurile la scară nanometrică pot fi investigate cu ajutorul microscoapelor electronice, precum și al microscoapelor de scanare prin efect de tunel. Echipamentele de reparare cu foto-mască, precum cel prezentat aici, automatizează detectarea defectelor și verificarea reparațiilor pentru a accelera producția. Microscopia de forță atomică permite detectarea și repararea defectelor și a particulelor străine cu acuratețe nanometrică și precizie la nivel de angstrom. (Sursa imaginii: Park Systems)

Depunerea de materiale în peliculă subțire: În acest proces, materialul metalic este depus pe plăcuța de siliciu prin evaporare în vid, pulverizare sau prin depunere chimică în stare de vapori.

Modelare: Acesta este procesul litografic propriu-zis, în timpul căruia se aplică masca pentru a preveni îndepărtarea stratului de metal din zonele selectate în etapa ulterioară de gravură. Procesele comune de modelare includ fotolitografia, litografia cu fascicul de electroni și litografia prin nano-imprimare. Metalul dintre golurile din mască este vaporizat de un fascicul laser sau de electroni.

Gravură: îndepărtarea chimică a straturilor de material. Gravura chimică umedă utilizează lichide reactive, cum ar fi acizi, baze și solvenți, în timp ce gravura uscată utilizează gaze reactive. Gravura uscată include gravura cu ioni reactivi și gravura cu plasmă cuplată conductiv. Aici, echipamentul automatizat controlează durata și viteza procesului – cheia pentru a menține caracteristicile cipului între limitele toleranțelor.

Implantarea de ioni: Odată ce rețeaua de conexiuni electrice a fost creată pe o plăcuță de siliciu, trebuie să se creeze tranzistoare individuale la joncțiuni prin doparea siliconului pentru a crea joncțiuni NPN sau PNP. Acest lucru se realizează prin direcționarea fasciculelor de ioni compuse din elemente de dopaj către joncțiuni. Viteza foarte mare a fasciculelor de ioni accelerați îi determină să penetreze materialul și să se înfigă în rețeaua cristalină a plăcii de siliciu. Modelele create în timpul procesului de litografie sunt utilizate pentru a ghida cu precizie procesul de implantare a ionilor.

Utilizarea automatizării pentru a asigura calitatea semiconductorilor

În prezent, o mare parte din industria americană a semiconductorilor produce echipamente de fabricare, în loc să fabrice ea însăși semiconductori. Acest echipament aplică tehnologii de automatizare a producției mecanice și electronice mai convenționale. De exemplu:

• Echipamentele litografice sunt fabricate de Applied Materials și ASML.
• Echipamentul de depunere chimică în stare de vapori este fabricat de Lam Research și Applied Materials.
• Echipamentul de gravură cu plasmă este fabricat de Lam Research, Applied Materials și Plasma-Therm.
• Echipamentele de implantare a ionilor sunt fabricate de Axcelis Technologies și Varian Semiconductor Equipment Associates.

Deși, în prezent, SUA importă cea mai mare parte a volumelor de semiconductori, toate etapele de producție sunt executate într-o anumită măsură în SUA. Aceasta include atât fabricarea de plăcuțe, cât și de cipuri de către Intel, GlobalFoundries, Texas Instruments și alții.

Procesele de depunere de materiale prin pelicule subțiri, de modelare litografică, de gravură chimică și de implantare de ioni pentru fabricarea cipurilor sunt în mod intrinsec scalabile. Acestea permit crearea simultană a milioane de joncțiuni individuale. Prin urmare, producătorii sporesc nivelurile de automatizare, în parte pentru a îmbunătăți productivitatea, dar mai des în prezent pentru a îmbunătăți calitatea.

Automatizarea este, de asemenea, asociată cu operațiunile de manipulare a produselor chimice, a cipurilor și a plăcuțelor, precum și cu utilizarea roboților pentru camere sterile produși de producători precum KUKA Robotics. Acestea din urmă joacă un rol important în reducerea pierderilor cauzate de erorile umane.

Figura 8: Roboții colaborativi se deplasează pe sisteme cu axa a șaptea pentru a manipula plăcuțe de siliciu (cu o grosime de 40 µm și un diametru de până la 300 mm) în timp ce acestea trec prin până la 1.200 de etape pentru a fi transformate în cipuri. (Sursa imaginii: KUKA Robotics)

Dar în producția de semiconductori, automatizarea se referă adesea mai mult la procesarea datelor și la automatizarea deciziilor rezultate. Fabricile utilizează algoritmi automatizați pentru controlul avansat al proceselor sau APC, precum și pentru controlul statistic al proceselor sau SPC. Acestea urmăresc variațiile de proces și defectele de fabricație rezultate, care trebuie reduse prin controlul în timp real al proceselor de fabricație. Astfel de sisteme pot utiliza inteligența artificială și învățarea automată pentru a identifica modele în cadrul unor seturi de date foarte mari care urmăresc numeroși parametri de proces și parametri de calitate.

Liderii inovatori de la Siemens definesc APC ca incluzând diverse metode de reducere a variației variabilelor de control – inclusiv controlul fuzzy, controlul predictiv al modelului, controlul bazat pe model, modelul statistic și rețelele neuronale. Astfel de tehnologii din Industria 4.0 sunt adesea implementate prin intermediul unor ecosisteme integrate, cum ar fi cele oferite de Siemens sau EcoStruxure de la Schneider Electric (acestea fiind două exemple) pentru industria semiconductorilor. Variabilele de proces pot fi combinate cu monitorizarea stării utilajelor pentru o întreținere predictivă care reduce întreținerea de rutină a utilajelor de producție, evitând în același timp perioadele de întrerupere.

Concluzie

Pe măsură ce Statele Unite încearcă să asigure competitivitatea producției interne de semiconductori de importanță strategică, automatizarea de ultimă generație va fi esențială. Roboții din camerele sterile care efectuează manipularea materialelor reprezintă cea mai evidentă și vizibilă implementare a automatizării, dar controlul automatizat al proceselor de fabricație propriu-zise este cel care oferă avantaje competitive reale. De la controlul mediului de creștere a cristalelor de siliciu până la asigurarea dopajului precis al joncțiunilor în timpul implantării ionice, producția eficientă și fără defecte a circuitelor integrate la scară nanometrică depinde de controlul în timp real a mii de parametri de proces.

În cele din urmă, controlul avansat al proceselor, care implică integrarea senzorilor IIoT, a algoritmilor de inteligență artificială și a altor metode avansate de control bazate pe modele, va fi cel care va asigura competitivitatea industriei americane a semiconductorilor.