Questions-réponses :Fabrication de semi-conducteurs passée, présente et future

La fabrication de semi-conducteurs d'hier, d'aujourd'hui et de demain :questions-réponses avec le consultant industriel Carl White

La loi de Moore, un concept mis en avant par le co-fondateur d'Intel Gordon E. Moore en 1965, prédit que le nombre de transistors sur un circuit intégré (ou micropuce) devra doubler tous les deux ans tandis que le coût de l'informatique est réduit d'autant jusqu'à la moitié, entraînant une croissance exponentielle de la puissance de calcul. L'industrie des semi-conducteurs a travaillé dur pour suivre ce paradigme, mais fournir constamment plus de puissance de traitement dans moins d'espace n'est pas facile, surtout lorsque les concurrents s'efforcent d'atteindre le même objectif et que la demande des consommateurs pour faire progresser la technologie est constante.

Grâce en grande partie à la loi de Moore, "Je ressens le besoin - le besoin de vitesse!" peut ressembler davantage à une description de la vie quotidienne dans l'industrie des semi-conducteurs qu'à une citation rétrospective de Top Gun . C'était l'un des nombreux points clés de notre récente conversation avec le vétéran de l'industrie Carl White, consultant principal en ingénierie chez C.L. Services d'ingénierie blancs, LLC. Après avoir passé près de 40 ans à travailler dans des entreprises tout au long de la chaîne d'approvisionnement de l'industrie des semi-conducteurs, Carl a offert une excellente perspective sur le besoin incessant de vitesse, à la fois en termes de développement et de puissance de traitement. Poursuivez votre lecture pour découvrir ce qu'il avait à dire sur ce qui a été nécessaire pour innover assez rapidement pour suivre la loi de Moore dans le passé, sur les défis auxquels l'industrie des semi-conducteurs est actuellement confrontée et sur ce que nous pouvons nous attendre à voir dans un avenir proche.

Point de référence Swagelok (SRP) : Merci de vous joindre à nous, Carl. Pouvez-vous commencer par nous parler un peu de votre parcours ?

Carl White : Je suis originaire de l'Arizona et j'ai étudié la gestion de la technologie industrielle et l'ingénierie mécanique à l'État de l'Arizona avant de commencer ma carrière chez ASM, l'OEM d'outils de traitement des semi-conducteurs, en 1982. De là, j'ai travaillé chez Spectrum CVD, qui appartenait à Motorola. à l'époque; Materials Research Corporation, qui est finalement devenue une partie de Sony ; Tokyo Electron, également connu sous le nom de TEL ; et éventuellement les matériaux appliqués. J'ai passé 28 de mes 38 années dans l'industrie des semi-conducteurs à travailler dans l'espace OEM et les 10 autres années pour un fabricant de puces, Motorola Semiconductor Products Group. J'ai pris ma retraite de l'ASM l'année dernière après avoir passé les 15 dernières années à travailler sur la technologie ALD (dépôt de couche atomique). Maintenant, je consulte des entreprises de l'industrie.

SRP : Il semble que vous ayez une perspective intéressante, ayant beaucoup travaillé du côté des équipementiers d'outils et des fabricants de puces de l'industrie. Qu'est-ce qui vous a poussé à passer votre carrière à faire ça ?

CW : C'est une industrie qui évolue très rapidement. La technologie évolue constamment et cela a nécessité de la créativité et un apprentissage continu pour ceux d'entre nous qui travaillent dans l'espace. Il n'y avait aucune chance de s'ennuyer ! C'était également passionnant de voir comment les conceptions sur lesquelles j'ai travaillé ont entraîné des changements, car la technologie des semi-conducteurs est importante dans presque toutes les autres industries.

SRP : Quelles méta-tendances avez-vous vues conduire l'évolution de l'industrie des semi-conducteurs ?

CW : Au début, c'était le programme spatial. Plus tard, ce fut la technologie grand public. Nous sommes passés de l'utilisation de règles à calcul aux calculatrices portables, en passant par les ordinateurs personnels et les smartphones, et cela a été possible grâce à l'évolution de la technologie des semi-conducteurs. Nous assistons maintenant à l'émergence de l'I.A. et les véhicules autonomes au service du changement. La seule constante a été la nécessité de produire des produits et de transmettre des informations plus rapidement. De nouvelles technologies de semi-conducteurs sont constamment nécessaires pour répondre à la demande de plus de puissance de calcul.

Il y a aussi le dynamisme qui découle de la concurrence pour le leadership dans l'innovation des semi-conducteurs. Il ne s'agit pas seulement de concurrence entre entreprises, mais de quelque chose qui se déroule à l'échelle mondiale. Au fil du temps, différents pays ont mené le développement de la technologie des semi-conducteurs, et ces changements dynamiques conduisent parfois à une plus grande collaboration au niveau de l'industrie. Par exemple, 14 sociétés de semi-conducteurs basées aux États-Unis se sont associées au gouvernement américain en 1987 pour former SEMATECH, le consortium de fabrication de puces, dans le but d'améliorer la qualité des puces qu'elles produisaient afin d'être plus compétitives sur le marché mondial. Cela a accéléré les progrès de l'industrie des semi-conducteurs aux États-Unis. À l'époque, de nombreuses entreprises essayaient de tout faire… concevoir, fabriquer et vendre la technologie des puces. Ils ont appris à se spécialiser, ce qui a conduit à la création de fonderies qui fabriquent des puces pour d'autres entreprises, contribuant également à rationaliser l'avancement de l'industrie.

SRP : Pouvez-vous expliquer la relation entre la densité des puces et l'évolution de la technologie des semi-conducteurs et de l'électronique qu'elle alimente ? Comment cela a-t-il affecté l'équipement et les composants nécessaires à la production de puces ?

CW : La miniaturisation est un besoin constant pour suivre la loi de Moore. Pour obtenir plus de transistors sur les puces, vous devez les rendre de plus en plus petits. Vous devez également ajuster l'équipement pour l'aligner sur les progrès du processus de fabrication. Un point d'inflexion majeur s'est produit à la fin des années 1990, au début des années 2000, lorsque l'industrie est passée des tranches de silicium de 200 mm à 300 mm comme base des puces, ce qui a nécessité des changements majeurs dans la fabrication et les outils. Le développement de grilles à haute K (constante diélectrique) pour les transistors de 45 nm (nanomètres) qui permettaient moins de fuites d'électrons a été une autre étape importante dans la poursuite de la miniaturisation de l'industrie. J'ai eu la chance de travailler sur le développement de l'équipement utilisé par Intel pour les produire, donc le changement était passionnant à voir. Maintenant, pour la perspective, les entreprises travaillent sur la production de puces 5 nm.

En général, nous avons vu des entreprises essayer de passer à des nœuds de processus plus petits, c'est-à-dire la fabrication de plus petites tailles de fonctionnalités de technologie de semi-conducteurs dans le but de créer des transistors plus petits, plus rapides et plus économes en énergie, aussi rapidement que tous les 18 mois. Cela dépasse la prédiction de la loi de Moore (passage à des nœuds de processus plus petits tous les deux ans) car c'est ce que font les concurrents.

Les fabricants de semi-conducteurs indiquent aux OEM d'outils ce qu'ils veulent atteindre en termes de performances des puces et les processus de production qui seront probablement nécessaires. Les équipementiers travaillent à la fabrication d'équipements de production qui peuvent permettre ce type de performances et, ce faisant, ils travaillent avec des entreprises comme Swagelok pour trouver des composants existants ou pour collaborer à la conception de nouveaux composants pour activer leurs outils. Cette collaboration est essentielle si les entreprises de semi-conducteurs veulent suivre le rythme de l'innovation, car elle aide les OEM à recevoir les composants dont ils ont besoin aujourd'hui et aide les fabricants de composants à anticiper les besoins futurs de l'industrie.

SRP : La demande du marché pour des applications électroniques spécifiques stimule-t-elle l'innovation dans les semi-conducteurs, ou les progrès de la technologie des puces préviennent-ils généralement la demande du marché ?

CW : Cela peut aller dans les deux sens. Parfois, la pression générale pour faire évoluer constamment la technologie des semi-conducteurs peut conduire à des percées avant que le marché ne sache quoi faire avec la technologie. Par exemple, dans les années 1990, les capacités informatiques progressaient rapidement, mais les connaissances et les compétences logicielles nécessaires pour utiliser toute la puissance de la technologie des puces faisaient défaut, de sorte que les applications étaient à la traîne par rapport aux capacités de traitement. Mais dans d'autres cas, il peut y avoir une pression pour permettre aux applications existantes d'en faire plus - nous le voyons plus maintenant avec la nécessité de permettre plus de traitement de données et d'IA. applications.

Fondamentalement, nous avons connu trois périodes de demande. Des années 1960 aux années 1980, il s'agissait d'activer les ordinateurs et les équipements de calcul. Nous avions alors des milliers de transistors sur puces. À partir des années 1980, nous avons vu l'accent mis sur l'activation de la technologie mobile comme les ordinateurs portables et les téléphones portables. Nous avions des millions de transistors sur une puce à ce stade. Au cours de la dernière décennie, le transfert et le stockage de données ont stimulé la demande alors que nous créons une technologie plus connectée (avec l'essor de l'Internet des objets et des appareils intelligents alimentant les interactions sociales 24h/24) et centrée sur les données (avec des tendances telles que Big Les données et l'apprentissage automatique créent la demande).

SRP : Comment la demande continue de puces plus petites mais plus puissantes a-t-elle affecté les exigences de performances des composants de systèmes fluides utilisés dans la fabrication de semi-conducteurs ?

CW : L'évolution de la géométrie des puces semi-conductrices au fil du temps a entraîné le besoin de différents produits de systèmes de fluides utilisés dans le processus de fabrication des puces. D'autant plus que les transistors sont devenus plus petits, il est crucial d'éviter la contamination lors du traitement, car cela peut affecter les rendements et la fiabilité des puces. Les processus non contrôlés et la contamination des composants doivent être évités. En conséquence, l'industrie est passée des vannes à soufflet (durée de vie plus élevée) aux vannes à membrane (historiquement plus propres) qui ont moins «d'espace mort» et de volume de gaz contenu, ainsi que moins de pièces mobiles.

Aujourd'hui, avec le lancement du Swagelok ^® vanne ALD20 récemment, nous constatons l'avantage de la capacité de débit élevé qui provient d'une vanne à soufflet qui offre toujours les performances de pureté ultra élevée (UHP) nécessaires dans la fabrication moderne de semi-conducteurs. Cela a été rendu possible en partie parce que les techniques de fabrication se sont améliorées au fil du temps et parce que nous avons également accès à des matériaux améliorés, par exemple de l'acier VIM-VAR de haute qualité et des alliages résistants à la corrosion. De meilleures techniques de finition sont également utilisées, comme l'électropolissage et la passivation, ainsi que de meilleurs tests avant le lancement des produits qu'auparavant. Dans le passé, j'ai vu certaines entreprises courir jusqu'au bout pour lancer une technologie en premier, mais elles n'avaient pas assez bien qualifié leurs composants, et cela nous a causé des problèmes. Il est important de savoir que les produits fonctionneront prêts à l'emploi comme promis dans l'espace des semi-conducteurs ; des composants dont vous pouvez avoir confiance pour être cohérents et offrir des performances reproductibles sont essentiels.

SRP : Semblable à une question précédente, la technologie des vannes a-t-elle toujours changé pour permettre de nouveaux processus de production de puces, ou les progrès de la fabrication de semi-conducteurs ont-ils entraîné des innovations en matière de systèmes de fluides ?

CW : Les modifications apportées au processus de fabrication des semi-conducteurs ont certainement joué un rôle dans la définition de ce dont nous avons besoin en matière de vannes UHP et d'autres composants de systèmes de fluides. Lorsque vous fabriquez des micropuces, vous recouvrez généralement une plaquette cristalline - du silicium, par exemple - par une séquence de doses précises avec un gaz précurseur dans une chambre de dépôt pour recouvrir uniformément la plaquette avant de la solidifier. Nous prenons de plus en plus de produits chimiques précurseurs liquides et solides, les sublimant à l'aide de hautes températures et de processus soigneusement contrôlés, puis utilisons des vannes UHP pour les doser sur les wafers. Ces produits chimiques peuvent souvent être instables et avoir des caractéristiques agressives et corrosives, ce qui les rend difficiles à utiliser efficacement.

Nous nous appuyons sur les processus de dépôt de couche atomique (ALD) et de gravure de couche atomique (ALE) souvent parce que le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et les précurseurs que nous avons utilisés dans ce processus ne peuvent pas être contrôlés suffisamment efficacement pour faciliter la fabrication de puces à la petite taille de transistor que nous voir aujourd'hui. Ce sont ces changements dans les processus et la chimie - par exemple, l'industrie est passée aux interconnexions en cuivre à partir de l'aluminium dans les années 1990 en raison de sa conductivité plus élevée - qui nécessitent des changements de composants.

Très tôt, les équipementiers d'outillage ont réalisé que les rendements décevants des puces étaient souvent dus à des problèmes de processus plutôt qu'à un équipement défectueux. L'humidité, les produits chimiques réactifs exposés à l'atmosphère, les particules formant des résidus dans les vannes et les empêchant de se boucher, voilà autant de défis rencontrés par l'industrie. Au fur et à mesure de notre évolution, nous avons appris à contrôler les défis des processus, souvent grâce à des composants de systèmes de fluides avancés et à des conceptions de systèmes. Cela a eu un effet positif sur nos résultats, mais cela a également affecté les processus de fabrication des puces et les exigences de performance des composants habilitants.

SRP : S'il s'agit d'un tableau historique de l'évolution de la fabrication de semi-conducteurs, quels sont les défis auxquels l'industrie est confrontée aujourd'hui, et comment cela affecte-t-il les exigences en matière de composants de systèmes fluides ?

CW : Pour atteindre la prochaine étape de la fabrication de puces, nous avons besoin d'un contrôle produit fiable, d'une répétabilité et d'une cohérence dans la fabrication des vannes. Les outils semi-conducteurs nécessitent de nombreuses vannes UHP, et il est difficile d'avoir des performances parfaitement uniformes d'une vanne à l'autre, mais nous avons besoin de cette cohérence de fabrication. Il ne s'agit pas seulement d'un produit de haute qualité, mais de la même qualité d'une vanne à l'autre.

De plus, le changement de température est important. Nous avons besoin de performances constantes à des températures et des débits plus élevés. On met davantage l'accent sur la fabrication de puces 3D NAND maintenant, ce qui signifie que plus de matériaux sont superposés dans des crevasses plus profondes sur les puces alors que les transistors sont empilés les uns sur les autres, vous devez donc obtenir plus de supports précurseurs dosés sur la tranche - peut-être 200 fois plus de gaz - pour recouvrir efficacement ces endroits. Il y a des tolérances de plus en plus serrées, ce qui signifie moins de tolérance à la variabilité.

"Pour atteindre la prochaine étape de la fabrication de puces, nous avons besoin d'un contrôle produit fiable, d'une répétabilité et d'une cohérence dans la fabrication des vannes."

SRP : En plus d'un dosage précis, de la stabilité de la température et de la capacité de débit, de quoi d'autre l'industrie a-t-elle besoin des vannes UHP pour continuer à suivre la loi de Moore ?

CW : Nous devons également rester concentrés sur la propreté et la résistance à la corrosion. La science des matériaux est importante ici. Par exemple, la vanne ALD20 utilise l'alliage 22 (Hastelloy ^® C22) dans le soufflet parce que c'est un matériau qui peut résister à des produits chimiques hautement corrosifs. Mais aussi génial soit-il, même ce matériau n'est pas idéal dans tous les processus. Un revêtement spécial peut être nécessaire pour gérer différentes chimies à mesure que les géométries deviennent plus petites et que les précurseurs chimiques deviennent plus agressifs. Le développement de ces revêtements peut être difficile et coûteux, mais nous avons de moins en moins de tolérance à la corrosion dans nos procédés.

C'est pourquoi il est essentiel que les fournisseurs de solutions de systèmes fluides travaillent en étroite collaboration avec les fabricants OEM et les fabricants de semi-conducteurs lorsqu'ils développent de nouveaux produits. La collaboration était importante lorsque Swagelok a introduit les premières vannes ALD il y a des décennies, et elle reste plus importante que jamais. Parfois, cela signifie travailler avec des équipementiers d'outils, mais comme les demandes sur leurs outils sont déterminées par les fabricants de puces, vous devrez parfois travailler directement avec les fabricants également. Il s'agit de résoudre ensemble des problèmes et de déterminer ce qui a du sens en fonction des cycles de développement des entreprises impliquées. Mais c'est cette collaboration qui permettra la technologie de demain.

SRP : À quoi ressemblait la collaboration avec les fournisseurs au cours de votre carrière ? Comment l'avez-vous vécu personnellement ?

CW : Au début de ma carrière, lorsque j'étais chez ASM, j'ai collaboré avec Swagelok sur le développement du Swagelok ^® Vanne à membrane UHP série DH. Nous avions besoin d'une vanne qui fonctionnerait sous vide à 220°C et qui était plus petite que ce qui était disponible sur le marché à l'époque afin que nous puissions installer plus de vannes dans un petit espace pour obtenir de meilleures performances de nos outils ALD. J'ai travaillé avec Swagelok Southwest et le département d'ingénierie de Swagelok pour tester les options, et nous sommes finalement arrivés à une excellente solution. Le résultat a été une vanne à membrane avec une conception à double piston, un nouveau lubrifiant pour aider à éviter la contamination dans une chambre à vide et une résistance aux températures extrêmes qui durerait plus de 10 millions de cycles.

Il a également été utile que l'équipe Swagelok soit transparente et disposée à partager les protocoles de test et les données tout au long du processus, ce qui n'est pas toujours le cas avec d'autres fabricants. De plus, comme c'est toujours le cas dans les efforts de collaboration, les gens font la différence. Vous voulez travailler avec des gens qui vous permettent d'apprécier votre travail, et l'équipe avec laquelle j'ai travaillé sur ce projet était de premier ordre. Au cours de ma carrière dans l'industrie des semi-conducteurs, j'ai toujours recherché des contacts commerciaux qui souhaitent une situation gagnant-gagnant lorsqu'ils traitent avec leurs clients, et pas seulement un "nous gagnons". Les deux types d'entreprises existent, j'ai donc toujours choisi avec soin.

SRP : Quelle est la prochaine étape pour l'industrie des semi-conducteurs ? Quels défis devront être surmontés et à quoi pouvons-nous nous attendre dans un avenir proche ?

CW : L'un des défis pour l'industrie sera de répondre aux besoins de mise à l'échelle. Maintenant que nous sommes à des nœuds de processus de 7 nm ou 5 nm, où allons-nous maintenant ? Les matériaux et les capacités de fabrication existent-ils pour continuer à miniaturiser la technologie ? L'empilement 3D NAND est une solution - nous voyons plus de semi-conducteurs empilés les uns sur les autres, ce qui permet de regrouper trois fois plus de transistors dans une zone par rapport à ce qui se faisait traditionnellement. Une nouvelle technologie est en cours d'élaboration pour faciliter cela, comme la technologie de dépôt sélectif permettant de déposer uniquement où vous le souhaitez sur une plaquette, plutôt que de recouvrir toute la surface.

Les matériaux changent aussi. L'industrie considère le carbure de silicium comme base pour les tranches plutôt que le silicium. Le silicium est facile à trouver et peu coûteux, il a donc été largement adopté, mais nous pourrions voir des matériaux comme le germanium revenir car différents matériaux sont nécessaires pour alimenter les transistors de petites tailles. D'autres matériaux rapides et prometteurs ont été étudiés au fil du temps, mais les processus de fabrication ou les exigences en matière de puces n'ont peut-être pas rendu ces matériaux spécialisés coûteux économiquement viables. Maintenant, nous pourrions en avoir besoin.

Ce ne sont pas seulement les matériaux des plaquettes qui devront changer, mais nos processus :ce que nous déposons, comment nous gravons, etc. Des méthodes plus récentes telles que la lithographie ultraviolette extrême (EUV) sont utilisées, mais une fois que nous commençons à travailler sur des transistors inférieurs à 5-3 nm, cela peut ne pas fonctionner beaucoup plus longtemps. Le coût devient exponentiellement plus élevé, plus vous allez petit, donc nous pouvons voir plus de fournisseurs spécialisés s'en tenir à essayer de suivre la loi de Moore plutôt que tout le monde parce que cela va devenir trop cher pour le faire.

SRP : Merci pour le point de vue, Carl. Avez-vous un dernier mot de sagesse pour les professionnels des semi-conducteurs remplissant le type de rôles que vous avez occupés dans le passé ?

CW : Si une chose est certaine, c'est que nous continuerons à voir des progrès, même si nous ne pouvons pas toujours voir comment cela se passera encore. La seule chose sur laquelle vous pouvez compter est le besoin de relations solides et de collaboration pour arriver là où vous voulez aller.

Lorsque vous avez un besoin spécialisé, ce n'est pas toujours aussi simple que d'acheter un produit dans le commerce pour y répondre; vous devez parfois travailler avec des partenaires pour développer une solution de nouvelle génération. Lorsque vous le faites, recherchez des entreprises qui ont les capacités d'ingénierie et l'esprit de collaboration pour vous aider à vous rendre là où vous voulez aller. Vous avez besoin de collaborateurs qui écoutent vos besoins, ne promettent jamais rien qu'ils ne puissent faire et qui ne sacrifient pas la qualité juste pour vous rendre heureux. C'est un risque que vous courez avec de nombreuses entreprises lorsque vous évoluez rapidement, alors apprenez à qui vous pouvez faire confiance. Construire des relations est la meilleure chose que vous puissiez faire pour obtenir des résultats.

"... recherchez des entreprises qui ont les capacités d'ingénierie et l'esprit de collaboration pour vous aider à vous rendre là où vous voulez aller. Vous avez besoin de collaborateurs à l'écoute de vos besoins…”

SRP : Merci Carl ! Nous vous remercions d'avoir pris le temps de partager vos connaissances avec nous aujourd'hui.

CW : Mon plaisir. Je suis heureux d'aider.