Wzrost skali produkcji półprzewodników przez wytwórców amerykańskich dzięki automatyzacji

Nowoczesna elektronika, dystrybucja energii i wytwarzanie energii odnawialnej opiera się na półprzewodnikach. Produkty półprzewodnikowe to zarówno proste komponenty dyskretne, np. tranzystory czy diody, jak i złożone układy scalone. Urządzenia półprzewodnikowe często stanowią podstawę bramek logicznych połączonych w układy cyfrowe. Znajdują się również w oscylatorach, czujnikach, wzmacniaczach analogowych, ogniwach fotowoltaicznych, diodach LED, laserach i przetwornicach mocy. Branżowe kategorie produktów obejmują pamięci, układy logiczne, analogowe układy scalone, mikroprocesory, dyskretne urządzenia mocy i czujniki.

Ilustracja 1: produkcja układów scalonych i innych wyrobów półprzewodnikowych wymaga specjalistycznych urządzeń. (Źródło ilustracji: Getty Images)

Mimo krytycznego znaczenia półprzewodników, większość świata polega na niezdywersyfikowanych, a zatem wrażliwych globalnych łańcuchach dostaw. Wynika to z ogromnych korzyści wynikających z ekonomii skali, sprawiających, że wysoce skonsolidowana produkcja jest bardziej konkurencyjna pod względem ekonomicznym. W końcu budowa fabryk półprzewodników kosztuje miliardy i wymaga bardzo wysoko wykwalifikowanego personelu.

Ilustracja 2: silniki liniowe, napędy pasowe i miniaturowe prowadnice liniowe z szyną profilową to tylko niektóre z precyzyjnych urządzeń znajdujących się w maszynach do przetwarzania półprzewodników. (Źródło ilustracji: Getty Images)

Większość fabryk (odlewni) znajduje się na Tajwanie, w Japonii, Chinach, Stanach Zjednoczonych oraz Niemczech i działa od dziesięcioleci. Jednak ponad połowa wszystkich półprzewodników i więcej niż 90% półprzewodników zaawansowanych jest produkowanych na Tajwanie, a wszyscy czołowi producenci elektroniki używają półprzewodników pochodzących z jednej tajwańskiej fabryki w przynajmniej części ich produkcji. Niedawne napięcia geopolityczne uwypukliły zagrożenia związane z tym uzależnieniem. Ustawa CHIPS and Science (Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors) z 2022 r. ma na celu rozwiązanie tej kwestii poprzez zachęcanie operatorów i dostawców automatyki do rozpoczęcia i rozszerzania produkcji półprzewodników w USA.

Stan produkcji półprzewodników

Większość materiałów jest albo dobrymi przewodnikami elektryczności, takimi jak metale, albo izolatorami, jak np. szkło. Pod tym względem półprzewodniki plasują się między nimi. Ich przewodnictwo jest regulowane przez wprowadzanie zanieczyszczeń do struktury krystalicznej w procesie zwanym domieszkowaniem. Domieszkowanie pierwiastkiem donora elektronów daje ładunek ujemny dla półprzewodnika typu n. I odwrotnie - domieszkowanie pierwiastkiem akceptora elektronów tworzy dziury o ładunku dodatnim dla półprzewodnika typu p. Dwa sąsiadujące, ale różnie domieszkowane obszary w pojedynczym krysztale tworzą półprzewodnikowe złącze p-n. Tranzystory mogą posiadać złącza NPN lub PNP.

Najpopularniejszym materiałem półprzewodnikowym jest krzem. Typowe domieszki typu n to fosfor i arsen, natomiast typu p to bor i gal.

Ilustracja 3: sześcioosiowy robot w maszynie Jabil Precision Automation Solutions wykonuje zadania związane z automatycznym sortowaniem siatek bez narażania zamkniętego środowiska pomieszczeń czystych na wnikanie zanieczyszczeń. (Źródło ilustracji: Omron Automation Americas)

W najbardziej zaawansowanej produkcji półprzewodników wytwarzane są produkty posiadające elementy o wymiarach od 1 do 100nm. Ponieważ nanometr to jedna miliardowa część metra, a odległość między poszczególnymi atomami w ciele stałym wynosi od 0,1 do 0,4nm, nowoczesne nanostruktury półprzewodnikowe zbliżyły się do dolnej granicy struktury materiałów. Niezwykła precyzja procesów związana z wytwarzaniem takich produktów wymaga stosowania pomieszczeń czystych chronionych przed drganiami spowodowanymi aktywnością sejsmiczną, ruchem lotniczym, ulicznym i kolejowym oraz pracą maszyn.

Najważniejsze procesy w produkcji układów scalonych to wytwarzanie wafli, litografia i selektywne domieszkowanie - najczęściej za pomocą implantacji jonowej. Wiele fabryk specjalizuje się w produkcji wafli lub mikroukładów z wykorzystaniem fotolitografii i domieszkowania. Firma Taiwan Semiconductor (TSMC) produkuje zarówno wafle, jak i mikroukłady i jest jedyną fabryką wytwarzającą zaawansowane chipy 5- oraz 3-nm. Niektórzy producenci półprzewodników, np. Intel i Texas Instruments, mają własne fabryki, a TSMC dostarcza im tylko najbardziej zaawansowane mikroukłady. Jednak wielu producentów nieposiadających fabryk (m.in. Apple, ARM i Nvidia) w zakresie produkcji półprzewodników polega całkowicie na firmie TSMC.

Ilustracja 4: firma GlobalFoundries niedawno rozpoczęła inwestycję o wartości 1mldUSD, która pozwoli jej zwiększyć produkcję w zakładzie w stanie Nowy Jork o 150 tysięcy wafli rocznie. Ma to na celu zaspokojenie popytu na bogate w funkcje chipy do zastosowań motoryzacyjnych, 5G i Internetu rzeczy (IoT). Zakład będzie również spełniał krajowe wymogi bezpieczeństwa w zakresie bezpiecznego łańcucha dostaw. (Źródło ilustracji: GlobalFoundries)

Choć firma AMD nie posiada fabryk, nie jest zależna od TSMC i wcześniej produkowała własne mikroukłady. Firma AMD wydzieliła swoją działalność produkcyjną, którą nazwała GlobalFoundries. Prowadzi ją w USA, Europie i Singapurze. Fabryka w Nowym Jorku w przeszłości produkowała mikroukłady w technologii do 14nm, jednak na horyzoncie widać już chipy 4- i 3-nm.

Specyfika procesów produkcji mikroukładów

Znaczna część produkcji półprzewodników obejmuje wysokowydajne skalowalne procesy umożliwiające produkcję milionów pojedynczych elementów (nawet w nanoskali) w jednym etapie. Poznajmy niektóre z nich.

Produkcja wafli krzemowych: bryłki polikrystalicznego krzemu są topione w częściowo próżniowej atmosferze argonu, a następnie ciągnięte za pomocą kryształu zaszczepiającego w celu wytworzenia pręta monokrystalicznego krzemu w postaci cylindra ze stożkiem czołowym i końcowym powstającymi na początku i na końcu procesu. Na tym etapie może się odbywać domieszkowanie.

Ilustracja 5: pręty krzemu krystalicznego i dyski, które można z nich wyciąć. Stożki są nadal obecne na prętach po ciągnięciu i przed szlifowaniem. (Źródło ilustracji: Getty Images)

Następnie pręt jest precyzyjnie szlifowany w blok i nacinany w celu wskazania orientacji kryształu. Blok jest następnie cięty na wafle za pomocą piły drucianej, a te są fazowane i docierane diamentowymi narzędziami szlifierskimi. Następnie ich powierzchnia jest wykańczana za pomocą trawienia chemicznego, obróbki cieplnej, polerowania i czyszczenia ultraczystą wodą i chemikaliami. Przed zapakowaniem wafle są sprawdzane pod kątem płaskości i czystości.

Ilustracja 6: nawet znane środki czyszczące przybierają nową formę, gdy są przeznaczone do użytku w pomieszczeniach czystych. (Źródło ilustracji: ACL Staticide Inc.)

Litografia: obwody elektroniczne są wytwarzane przez nałożenie cienkiej warstwy metalicznego przewodnika na podłoże półprzewodnikowe, a następnie litograficzne wydrukowanie maski dla wzorów obwodu przed wytrawieniem pozostałej warstwy przewodzącej. Metody te zostały pierwotnie opracowane dla większych obwodów drukowanych, ale obecnie są wykorzystywane do nanoskalowej produkcji układów scalonych. Metalowe żeberka są drukowane na wzór siatki, a chipy wytwarzane w procesie 5-nm mają żeberka rozmieszczone w odstępach około 20nm. W systemach zautomatyzowanych do tego procesu często wykorzystuje się technologie napędu bezpośredniego, podstawy i oprogramowanie stabilizujące, a nawet łożyska powietrzne.

Ilustracja 7: struktury nanoskalowe można badać za pomocą mikroskopów elektronowych, a także skaningowych mikroskopów tunelowych. Urządzenia do naprawy fotomasek, np. ukazane tutaj, automatyzują wykrywanie wad i weryfikację napraw w celu zwiększenia wydajności. Mikroskopia sił atomowych umożliwia wykrywanie cząstek obcych i naprawę wad z nanometrową dokładnością. (Źródło ilustracji: Park Systems)

Nanoszenie materiału cienkowarstwowego: w tym procesie materiał metaliczny jest nanoszony na płytkę krzemową za pomocą odparowywania próżniowego, napylania lub osadzania chemicznego z fazy gazowej.

Nakładanie wzoru: jest to faktyczny proces litografii, podczas którego nakładana jest maska zapobiegająca usunięciu warstwy metalu z wybranych obszarów w kolejnym etapie trawienia. Typowe procesy nakładania wzoru obejmują fotolitografię, litografię wiązką elektronową i litografię techniką nanodruku. Metal pomiędzy szczelinami w masce jest odparowywany za pomocą wiązki laserowej lub elektronowej.

Trawienie: chemiczne usuwanie warstw materiału. W chemicznym trawieniu na mokro wykorzystuje się reaktywne ciecze takie jak kwasy, zasady i rozpuszczalniki, natomiast w trawieniu na sucho - reaktywne gazy. Trawienie na sucho obejmuje trawienie jonami reaktywnymi i trawienie plazmą sprzężoną konduktywnie. W tym przypadku zautomatyzowane urządzenia kontrolują czas i szybkość procesu, co jest kluczem do utrzymania właściwości mikroukładu w granicach tolerancji.

Implantacja jonowa: po utworzeniu siatki połączeń elektrycznych na waflu krzemowym, w celu utworzenia złączy NPN lub PNP poszczególne tranzystory muszą zostać utworzone na złączach poprzez domieszkowanie krzemu. Osiąga się to poprzez kierowanie wiązek jonów składających się z elementów domieszkujących na złącza. Bardzo duża prędkość przyspieszonych wiązek jonów powoduje, że penetrują one materiał i osadzają się w sieci krystalicznej wafla krzemowego. Wzory utworzone w procesie litografii są wykorzystywane do precyzyjnego kierowania procesem implantacji jonowej.

Wykorzystanie automatyzacji do zapewnienia jakości półprzewodników

Znaczna część amerykańskiego przemysłu półprzewodnikowego skupia się obecnie na produkcji urządzeń do wytwarzania półprzewodników, a nie samych półprzewodników. Opiera się ona na bardziej konwencjonalnych technologiach automatyzacji produkcji mechanicznej i elektronicznej. Na przykład:

• urządzenia do litografii są produkowane przez firmy Applied Materials i ASML;
• urządzenia do osadzania chemicznego z fazy gazowej są produkowane przez firmy Lam Research i Applied Materials;
• urządzenia do trawienia plazmowego są produkowane przez firmy Lam Research, Applied Materials i Plasma-Therm;
• urządzenia do implantacji jonowej są produkowane przez firmy Axcelis Technologies i Varian Semiconductor Equipment Associates.

Choć obecnie Stany Zjednoczone importują większość półprzewodników, wszystkie etapy produkcji odbywają się w pewnym zakresie w USA. Obejmuje to zarówno produkcję wafli, jak i chipów m.in. przez firmy Intel, GlobalFoundries i Texas Instruments.

Procesy osadzania cienkich warstw materiałów, litograficznego nakładania wzoru, trawienia chemicznego i implantacji jonowej do produkcji chipów są skalowalne. Pozwalają one na jednoczesne utworzenie milionów pojedynczych złączy. W związku z tym producenci zwiększają poziom automatyzacji częściowo w celu zwiększenia produktywności, ale obecnie częściej w celu poprawy jakości.

Automatyzacja jest również związana z procesami chemicznymi, obsługą chipów i wafli, a także wykorzystaniem robotów przeznaczonych do pracy w pomieszczeniach czystych produkowanych m.in. przez firmę KUKA Robotics. Te ostatnie odgrywają ważną rolę w ograniczaniu strat spowodowanych błędami ludzkimi.

Ilustracja 8: roboty współpracujące poruszają się w układach w siódmej osi i obrabiają wafle krzemowe (o grubości 40µm i średnicy do 300mm), wykonując 1200 kroków w celu przekształcenia ich w mikroukłady. (Źródło ilustracji: KUKA Robotics)

Jednak w produkcji półprzewodników automatyzacja często polega bardziej na przetwarzaniu danych i automatyzacji wynikających z niego decyzji. Fabryki wykorzystują zautomatyzowane algorytmy zaawansowanej kontroli procesów (APC), a także statystycznej kontroli procesów (SPC). Śledzą one zmienność procesów i wynikające z tego wady produkcyjne, które można zredukować dzięki kontroli procesów produkcyjnych w czasie rzeczywistym. Takie systemy mogą wykorzystywać sztuczną inteligencję i uczenie maszynowe do identyfikowania wzorców w bardzo dużych zbiorach danych śledzących wiele parametrów procesów i wskaźników jakości.

Kierownictwo firmy Siemens definiuje zaawansowaną kontrolę procesów (APC) jako kontrolę obejmującą różne metody zmniejszania różnorodności zmiennych kontrolnych, w tym sterowanie rozmyte, sterowanie predykcyjne modelu, sterowanie oparte na modelach, modele statystyczne i sieci neuronowe. Wspomniane technologie Przemysłu 4.0 są często wdrażane za pośrednictwem zintegrowanych ekosystemów, np. firmy Siemens lub EcoStruxure firmy Schneider Electric przeznaczonych dla przemysłu półprzewodników. Zmienne dotyczące procesów mogą być łączone z monitorowaniem stanu maszyn w celu prowadzenia konserwacji predykcyjnych ograniczających potrzebę prowadzenia rutynowych konserwacji maszyn produkcyjnych i zapobiegających przestojom.

Podsumowanie

Zapewnienie konkurencyjności krajowej produkcji półprzewodników o strategicznym znaczeniu w USA będzie wymagać najnowocześniejszej automatyzacji. Roboty przeznaczone do pracy w pomieszczeniach czystych i obsługi materiałów są najbardziej oczywistą i najczęściej spotykaną formą automatyzacji, ale to zautomatyzowane sterowanie procesami produkcyjnymi daje prawdziwą przewagę nad konkurencją. Wydajna i bezbłędna produkcja układów scalonych w nanoskali zależy od kontroli tysięcy parametrów procesów w czasie rzeczywistym - od środowiska wzrostu kryształów krzemu po precyzyjne domieszkowanie na złączach podczas implantacji jonowej.

Ostatecznie to zaawansowana kontrola procesów obejmująca integrację czujników przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT), algorytmów sztucznej inteligencji i innych zaawansowanych metod kontroli opartych na modelach zapewni konkurencyjność amerykańskiego przemysłu półprzewodnikowego.