L'évolution des semi-conducteurs dévoilée : Passé, présent et futur – Q&R d'expert

Fabrication de semi-conducteurs : Passé, présent et futur — Un Q&R avec le consultant industriel Carl White

La loi de Moore, un concept énoncé pour la première fois par le co-fondateur d'Intel Gordon E. Moore en 1965, prédisait que le nombre de transistors sur un circuit intégré (ou micropuce) devrait doubler tous les deux ans tandis que le coût de l'informatique serait réduit de moitié, conduisant à 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 quand les concurrents visent le même objectif et que la demande des consommateurs pour la technologie avancée est constante.

En grande partie grâce à la loi de Moore, "J'ai besoin de vitesse !" peut ressembler plus à une description de la vie quotidienne dans l'industrie des semi-conducteurs qu'à une citation rétro 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. White Engineering Services, 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 — tant dans le développement que dans la puissance de traitement. Lisez la suite pour découvrir ce qu'il a dit sur ce qui a été nécessaire pour innover assez vite pour suivre la loi de Moore dans le passé, quels défis l'industrie des semi-conducteurs rencontre actuellement, et à quoi nous pouvons nous attendre dans un avenir proche.

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

Carl White : Je suis un Arizonien natif, et j'ai étudié la gestion de la technologie industrielle et l'ingénierie mécanique à l'Arizona State avant de commencer ma carrière chez ASM, le fabricant d'outils de traitement des semi-conducteurs OEM, en 1982. De là, je suis passé chez Spectrum CVD, qui appartenait à Motorola à l'époque ; Materials Research Corporation, qui est devenu plus tard une partie de Sony ; Tokyo Electron, aussi connu sous le nom de TEL ; et finalement Applied Materials. J'ai passé 28 de mes 38 ans 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 d'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 dans l'industrie.

SRP : On dirait que vous avez une perspective intéressante, ayant travaillé intensivement du côté OEM outils et fabricant de puces de l'industrie. Qu'est-ce qui vous a poussé à passer votre carrière à faire cela ?

CW : C'est une industrie très rapide. La technologie change constamment et cela requérait de la créativité et un apprentissage continu pour ceux d'entre nous qui travaillaient dans l'espace. Il n'y avait aucune chance de s'ennuyer ! C'était aussi excitant de voir comment les conceptions sur lesquelles je travaillais conduisaient le changement, puisque la technologie des semi-conducteurs est importante dans presque toutes les autres industries.

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

CW : Au début, c'était le programme spatial. Plus tard, c'était la technologie grand public. Nous sommes passés des règles à calcul aux calculatrices de poche aux ordinateurs personnels aux smartphones, et c'était possible grâce à l'évolution de la technologie des semi-conducteurs. Maintenant, nous voyons l'émergence de l'IA et des véhicules autonomes piloter le changement. La constante a été le besoin de produire des produits et de transmettre l'information plus rapidement. Une nouvelle technologie de semi-conducteurs est constamment requise pour répondre à la demande de plus de puissance de calcul.

Il y a aussi la dynamique qui vient de la compétition pour le leadership dans l'innovation des semi-conducteurs. Ce n'est pas seulement une compétition entre entreprises, mais quelque chose qui se joue à l'échelle mondiale. Au fil du temps, différents pays ont mené le développement de la technologie des semi-conducteurs, et ces changements dynamiques mènent parfois à une plus grande collaboration au niveau de l'industrie. Par exemple, 14 entreprises de semi-conducteurs basées aux États-Unis se sont jointes au gouvernement américain en 1987 pour former SEMATECH, le consortium de fabrication de puces, dans un effort pour améliorer la qualité des puces qu'ils produisaient pour mieux concurrencer sur le marché mondial. Cela a accéléré l'avancement dans l'industrie des semi-conducteurs aux États-Unis. À l'époque, beaucoup d'entreprises essayaient de tout faire... concevoir, fabriquer et vendre la technologie des puces. Elles ont appris à se spécialiser, menant à la création de fonderies qui fabriquent des puces pour d'autres entreprises, aidant à rationaliser l'avancement de l'industrie, également.

SRP : Pouvez-vous expliquer la relation entre la densité de puces et l'évolution de la technologie des semi-conducteurs et de l'électronique qu'elle alimentait ? Comment cela a-t-il affecté l'équipement et les composants nécessaires pour produire des 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 petites. Vous devez également ajuster l'équipement pour l'aligner avec les avancées du processus de fabrication. Un point d'inflexion majeur était à la fin des années 1990, début 2000 quand l'industrie est passée des wafers de silicium de 200 mm à 300 mm comme base pour les puces — cela a nécessité des changements majeurs de fabrication et d'outils. Le développement de grilles high-K (constante diélectrique) pour les transistors de 45 nm (nanomètre) qui permettaient moins de fuite d'électrons était une autre grande étape dans la poursuite de la miniaturisation par l'industrie. J'ai eu la chance de travailler sur le développement de l'équipement qu'Intel a utilisé pour produire ces puces, donc le changement était excitant à voir. Maintenant, pour donner une perspective, les entreprises travaillent sur la production de puces de 5 nm.

En général, nous avons vu des entreprises essayer de passer à des nœuds de processus plus petits — signifiant la fabrication de tailles de caractéristiques de technologie de semi-conducteurs plus petites dans un effort pour créer des transistors plus petits, plus rapides et plus efficaces énergétiquement — aussi rapidement que tous les 18 mois. Cela dépasse la prédiction de la loi de Moore (passer à des nœuds de processus plus petits tous les deux ans) parce que c'est ce que font les concurrents.

Les fabricants de semi-conducteurs disent aux OEM d'outils ce qu'ils veulent atteindre en termes de performance de puce, et quels processus de production cela nécessitera probablement. Les OEM travaillent sur la fabrication d'équipements de production qui peuvent permettre ce genre de performance, et en faisant cela, ils travaillent avec des entreprises comme Swagelok pour trouver des composants existants ou pour collaborer sur l'ingénierie de nouveaux composants pour permettre leurs outils. Cette collaboration est critique si les entreprises de semi-conducteurs veulent suivre la vitesse de l'innovation, car cela 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 pilote-t-elle l'innovation des semi-conducteurs, ou l'avancement de la technologie des puces précède-t-il 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 mener à des percées avant que le marché ne sache quoi faire de la technologie. Par exemple, dans les années 1990, les capacités informatiques avançaient rapidement, mais les connaissances et compétences logicielles requises pour utiliser la pleine puissance de la technologie des puces faisaient défaut, donc les applications étaient en retard sur les capacités de traitement. Mais dans d'autres cas, il peut y avoir une pression pour permettre aux applications existantes de faire plus — nous voyons cela plus maintenant avec le besoin de permettre plus de traitement de données et d'applications IA.

Fondamentalement, nous avons vu trois ères de demande. Des années 1960 aux années 1980, il s'agissait de permettre les ordinateurs et équipements de calcul. Nous avions des milliers de transistors sur les puces à l'époque. À partir des années 1980, nous avons vu l'accent se déplacer vers 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 pilotent 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 24/7) et centrée sur les données (avec des tendances comme le Big Data et l'apprentissage automatique créant de la demande).

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

CW : Le changement dans la géométrie des puces de semi-conducteurs au fil du temps a entraîné le besoin de différents produits de systèmes fluides utilisés dans le processus de fabrication des puces. Surtout alors que les transistors sont devenus plus petits, il est crucial d'éviter la contamination dans le 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 en cycles plus élevée) aux vannes à diaphragme (historiquement plus propres) qui ont moins d'"espace mort" et de volume de gaz contenu, ainsi que moins de pièces mobiles.

Maintenant, avec la sortie récente de la vanne Swagelok^® ALD20, nous voyons l'avantage de la grande capacité de débit qui vient d'une vanne à soufflet qui offre encore la performance de pureté ultra-élevée (UHP) nécessaire 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 — acier VIM-VAR de haute qualité et alliages résistants à la corrosion, par exemple. Il y a aussi de meilleures techniques de finition employées, comme l'électropolissage et la passivation, ainsi que de meilleurs tests avant les lancements de produits qu'auparavant. Dans le passé, j'ai vu certaines entreprises se précipiter vers la ligne d'arrivée 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 dès la sortie de la boîte comme promis dans l'espace des semi-conducteurs ; des composants en lesquels vous pouvez avoir confiance pour être cohérents et offrir une performance reproductible sont critiques.

SRP : De même qu'une question précédente, a-t-ce toujours été la technologie des vannes changeant pour permettre de nouveaux processus de production de puces, ou le progrès de la fabrication de semi-conducteurs a-t-il piloté les innovations des systèmes fluides ?

CW : Les changements de processus de fabrication de semi-conducteurs ont définitivement joué un rôle dans la définition de ce dont nous avons besoin des vannes UHP et autres composants de systèmes fluides. Quand vous fabriquez des micropuces, vous recouvrez généralement un wafer cristallin — silicium, par exemple — par une séquence de doses précises avec un gaz précurseur dans une chambre de dépôt pour recouvrir uniformément le wafer avant de le solidifier. Nous utilisons de plus en plus de précurseurs chimiques liquides et solides, les sublimant en utilisant des températures élevées et des processus soigneusement contrôlés, puis utilisant des vannes UHP pour les doser sur les wafers. Ces produits chimiques peuvent souvent être instables et avoir des caractéristiques agressives et corrosives, les rendant difficiles à utiliser efficacement.

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

Au début, les OEM d'outils ont réalisé que les rendements de puces décevants étaient souvent causés par des problèmes de processus plutôt que par 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 sceller — c'étaient tous des défis que l'industrie a rencontrés. Nous avons appris en évoluant à contrôler les défis de processus, souvent à travers des composants et des conceptions de systèmes fluides avancés. Cela a positivement affecté nos résultats, mais cela a également affecté les processus de fabrication de puces et les exigences de performance des composants habilitants.

SRP : Si c'est une image historique de l'évolution de la fabrication de semi-conducteurs, quels défis l'industrie rencontre-t-elle aujourd'hui, et comment cela affecte-t-il les exigences des composants de systèmes fluides ?

CW : Pour atteindre le prochain stade de la fabrication de puces, nous avons besoin d'un contrôle de produit fiable, de répétabilité et de cohérence de fabrication des vannes. Les outils de semi-conducteurs nécessitent de nombreuses vannes UHP, et il est difficile d'avoir une performance parfaitement uniforme de vanne à vanne, mais nous avons besoin de cette cohérence de fabrication. Ce n'est pas seulement une question de produit de haute qualité, mais de cette même qualité de vanne à vanne.

Aussi, le changement de température importe. Nous avons besoin de cohérence de performance à des températures et débits plus élevés. Il y a plus d'accent sur la fabrication de puces 3D NAND maintenant, signifiant plus de matériaux empilés dans des crevasses plus profondes sur les puces alors que les transistors sont empilés les uns sur les autres, donc vous avez besoin de faire doser beaucoup plus de milieux précurseurs sur le wafer — peut-être 200 fois plus de gaz — pour revêtir efficacement ces emplacements. Il y a des tolérances de plus en plus serrées, et cela signifie moins de marge pour la variabilité.

"Pour atteindre le prochain stade de la fabrication de puces, nous avons besoin d'un contrôle de produit fiable, de répétabilité et de cohérence de fabrication des vannes."

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

CW : Nous devons rester concentrés sur la propreté et la résistance à la corrosion, aussi. 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 chimies hautement corrosives. Mais aussi bon soit-il, même ce matériau n'est pas idéal dans chaque processus. Un revêtement spécial pourrait être requis pour gérer différentes chimies alors que les géométries deviennent plus petites et les précurseurs chimiques plus agressifs. Développer ces revêtements peut être difficile et coûteux, mais nous avons de moins en moins de tolérance pour la corrosion dans nos processus.

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

SRP : À quoi la collaboration avec les fournisseurs a-t-elle ressemblé pendant votre carrière ? Comment l'avez-vous vécue personnellement ?

CW : Au début de ma carrière, quand j'étais chez ASM, j'ai collaboré avec Swagelok sur le développement de la vanne à diaphragme UHP de la série DH Swagelok^®. Nous avions besoin d'une vanne qui fonctionnerait dans le vide à 220°C et qui était plus petite que ce qui était disponible sur le marché à l'époque pour 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 corporate de Swagelok pour tester des options, et nous sommes finalement arrivés à une excellente solution. Le résultat était une vanne à diaphragme avec une conception à double piston, un nouveau lubrifiant pour aider à éviter la contamination dans une chambre à vide, et une résistance extrême à la température qui durerait plus de 10 millions de cycles.

C'était aussi utile que l'équipe Swagelok était transparente et disposée à partager les protocoles et données de test tout au long du processus, ce qui n'est pas toujours le cas avec d'autres fabricants. Aussi, comme c'est toujours le cas avec les efforts collaboratifs, les gens font la différence. Vous voulez travailler avec des gens qui rendent facile pour vous d'apprécier votre travail, et l'équipe avec laquelle j'ai travaillé sur ce projet était de premier ordre. Dans ma carrière dans l'industrie des semi-conducteurs, j'ai toujours cherché des contacts d'affaires qui veulent une situation gagnant-gagnant quand ils traitent avec leurs clients, pas juste un "nous gagnons". Les deux sortes d'entreprises existent, donc j'ai toujours choisi soigneusement.

SRP : Qu'est-ce qui attend l'industrie des semi-conducteurs ? Quels défis devront être surmontés, et à quoi pouvons-nous nous attendre dans un avenir proche ?

CW : Un défi pour l'industrie sera de suivre les besoins d'échelle. Maintenant que nous sommes aux nœuds de processus de 7 nm ou 5 nm, où allons-nous à partir d'ici ? Les matériaux et capacités de fabrication existent-ils pour continuer à miniaturiser la technologie davantage ? L'empilement 3D NAND est une solution — nous voyons plus de semi-conducteurs empilés les uns sur les autres, permettant trois fois le nombre de transistors d'être emballés dans une zone par rapport à ce qui a été fait traditionnellement. De nouvelles technologies sont en cours de développement pour faciliter cela, comme la technologie de dépôt sélectif permettant de déposer uniquement où vous le voulez sur un wafer, plutôt que de recouvrir toute la surface.

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

Ce n'est pas seulement les matériaux des wafers qui devront changer, mais nos processus : ce que nous déposons, comment nous gravons, et ainsi de suite. De nouvelles méthodes comme la lithographie ultraviolette extrême (EUV) sont employées, mais une fois que nous commençons à travailler vers des transistors plus petits que 5-3 nm, cela peut ne plus fonctionner beaucoup plus longtemps. Le coût devient exponentiellement plus élevé plus vous allez petit, donc nous pourrions voir plus de fournisseurs de spécialité essayer de suivre la loi de Moore plutôt que tout le monde parce que cela va devenir trop cher à faire.

SRP : Merci pour la perspective, Carl. Avez-vous des derniers mots de sagesse pour les professionnels des semi-conducteurs occupant le genre de rôles que vous avez tenus dans le passé ?

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

Quand vous avez un besoin spécialisé, ce n'est pas toujours aussi simple que d'acheter un produit sur étagère pour y répondre ; vous devez travailler avec des partenaires pour développer une solution de prochaine génération parfois. Quand vous le faites, cherchez des entreprises qui ont les capacités d'ingénierie et l'état d'esprit collaboratif pour vous aider à aller où vous voulez aller. Vous avez besoin de collaborateurs qui écouteront vos besoins, ne promettent jamais rien qu'ils ne peuvent pas faire, et qui ne sacrifieront pas la qualité juste pour vous faire plaisir. C'est un risque que vous courez avec beaucoup d'entreprises quand vous allez vite, alors apprenez en qui vous pouvez avoir confiance. Construire des relations est la meilleure chose que vous puissiez faire pour construire des résultats.

"...cherchez des entreprises qui ont les capacités d'ingénierie et l'état d'esprit collaboratif pour vous aider à aller où vous voulez aller. Vous avez besoin de collaborateurs qui écouteront vos besoins..."

SRP : Merci, Carl ! Nous apprécions que vous ayez pris le temps de partager vos connaissances avec nous aujourd'hui.

CW : C'est un plaisir. Je suis heureux d'aider.