T&J:Manufaktur Semikonduktor Dulu, Sekarang, dan Masa Depan

Manufaktur Semikonduktor Dulu, Sekarang, dan Masa Depan:Tanya Jawab dengan Konsultan Industri Carl White

Hukum Moore, sebuah konsep yang pertama kali dikemukakan oleh salah satu pendiri Intel, Gordon E. Moore pada tahun 1965, meramalkan bahwa jumlah transistor pada sirkuit terpadu (atau microchip) akan perlu dua kali lipat setiap dua tahun sementara biaya komputasi berkurang sebanyak sebanyak setengahnya, yang mengarah ke pertumbuhan eksponensial dalam daya komputasi. Industri semikonduktor telah bekerja keras untuk mengikuti paradigma ini, tetapi terus-menerus menyediakan lebih banyak kekuatan pemrosesan dalam ruang yang lebih sedikit tidaklah mudah, terutama ketika para pesaing berjuang untuk mencapai tujuan yang sama dan permintaan konsumen untuk memajukan teknologi adalah konstan.

Sebagian besar berkat Hukum Moore, "Saya merasakan kebutuhan—kebutuhan akan kecepatan!" dapat terasa lebih seperti deskripsi kehidupan sehari-hari di industri semikonduktor daripada kutipan kemunduran dari Top Gun . Ini adalah salah satu dari banyak takeaways utama dari percakapan kami baru-baru ini dengan veteran industri Carl White, konsultan teknik utama di C.L. Layanan Rekayasa Putih, LLC. Setelah menghabiskan hampir 40 tahun bekerja di bisnis di seluruh rantai pasokan industri semikonduktor, Carl menawarkan perspektif yang bagus tentang kebutuhan kecepatan yang tak henti-hentinya—baik dalam pengembangan maupun kekuatan pemrosesan. Baca terus untuk mengetahui apa yang dia katakan tentang apa yang diperlukan untuk berinovasi cukup cepat untuk mengikuti Hukum Moore di masa lalu, tantangan apa yang dihadapi industri semikonduktor saat ini, dan apa yang dapat kita harapkan untuk dilihat dalam waktu dekat.

Titik Referensi Swagelok (SRP): Terima kasih telah bergabung dengan kami, Carl. Bisakah Anda mulai dengan memberi tahu kami sedikit tentang latar belakang Anda?

Carl Putih: Saya adalah penduduk asli Arizona, dan saya belajar manajemen teknologi industri dan teknik mesin di Arizona State sebelum memulai karir saya di ASM, alat pemrosesan semikonduktor OEM, pada tahun 1982. Dari sana saya melanjutkan bekerja di Spectrum CVD, yang dimiliki oleh Motorola pada saat itu; Material Research Corporation, yang akhirnya menjadi bagian dari Sony; Tokyo Electron, juga dikenal sebagai TEL; dan akhirnya Bahan Terapan. Saya telah menghabiskan 28 dari 38 tahun saya di industri semikonduktor bekerja di bidang OEM dan 10 tahun lainnya untuk produsen chip—Motorola Semiconductor Products Group. Saya pensiun dari ASM tahun lalu setelah menghabiskan 15 tahun terakhir bekerja pada teknologi ALD (deposisi lapisan atom). Sekarang saya berkonsultasi dengan perusahaan di industri.

SRP: Sepertinya Anda memiliki perspektif yang menarik, setelah bekerja secara ekstensif pada OEM alat dan sisi fabrikator chip industri. Apa yang mendorong Anda untuk menghabiskan karir Anda melakukan ini?

CW: Ini adalah industri yang sangat cepat. Teknologi terus berubah dan itu membutuhkan kreativitas dan pembelajaran berkelanjutan bagi kita yang bekerja di ruang angkasa. Tidak ada kesempatan untuk bosan! Menarik juga untuk melihat bagaimana desain yang saya kerjakan mendorong perubahan, karena teknologi semikonduktor penting di hampir semua industri lainnya.

SRP: Meta-tren apa yang Anda lihat mendorong evolusi industri semikonduktor?

CW: Awalnya, itu adalah program luar angkasa. Kemudian, itu adalah teknologi konsumen. Kami beralih dari menggunakan aturan geser ke kalkulator genggam ke komputer pribadi ke telepon pintar, dan itu dimungkinkan karena evolusi teknologi semikonduktor. Sekarang kita melihat kemunculan A.I. dan kendaraan otonom yang mendorong perubahan. Satu-satunya konstanta adalah kebutuhan untuk menghasilkan produk dan menyampaikan informasi lebih cepat. Teknologi semikonduktor baru terus-menerus diperlukan untuk memenuhi permintaan akan daya komputasi yang lebih besar.

Ada juga dorongan yang berasal dari persaingan untuk kepemimpinan dalam inovasi semikonduktor. Ini bukan hanya persaingan antar perusahaan, tetapi sesuatu yang terjadi dalam skala global. Seiring waktu, berbagai negara telah memimpin pengembangan teknologi semikonduktor, dan perubahan dinamis itu terkadang mengarah pada kolaborasi yang lebih besar di tingkat industri. Misalnya, 14 perusahaan semikonduktor yang berbasis di A.S. bergabung bersama dengan pemerintah A.S. pada tahun 1987 untuk membentuk SEMATECH, konsorsium manufaktur chip, dalam upaya meningkatkan kualitas chip yang mereka produksi agar lebih bersaing di pasar global. Itu mempercepat kemajuan dalam industri semikonduktor di A.S. Pada saat itu, banyak perusahaan mencoba melakukan segalanya… merancang, membuat, dan menjual teknologi chip. Mereka belajar untuk berspesialisasi, yang mengarah pada penciptaan pengecoran yang membuat chip untuk perusahaan lain, membantu merampingkan kemajuan industri, juga.

SRP: Dapatkah Anda menjelaskan hubungan antara kepadatan chip dan evolusi teknologi semikonduktor dan elektronik yang ditenagai? Bagaimana pengaruhnya terhadap peralatan dan komponen yang dibutuhkan untuk memproduksi chip?

CW: Miniaturisasi adalah kebutuhan konstan untuk mengikuti Hukum Moore. Untuk mendapatkan lebih banyak transistor pada chip, Anda harus membuatnya lebih kecil dan lebih kecil. Anda juga harus menyesuaikan peralatan agar selaras dengan kemajuan proses manufaktur. Titik belok utama adalah pada akhir 1990-an, awal 2000-an ketika industri beralih dari wafer silikon 200 mm ke 300 mm sebagai dasar untuk chip—ini membutuhkan manufaktur besar dan perubahan alat. Pengembangan gerbang K (konstanta dielektrik) tinggi untuk transistor 45 nm (nanometer) yang memungkinkan lebih sedikit kebocoran elektron adalah langkah besar lainnya dalam mengejar miniaturisasi industri. Saya cukup beruntung untuk bekerja mengembangkan peralatan yang digunakan Intel untuk memproduksi ini, jadi perubahan itu menarik untuk disaksikan. Sekarang, untuk perspektif, perusahaan sedang mengerjakan produksi chip 5 nm.

Secara umum, kami telah melihat perusahaan mencoba untuk pindah ke node proses yang lebih kecil—artinya pembuatan ukuran fitur teknologi semikonduktor yang lebih kecil dalam upaya untuk membuat transistor yang lebih kecil, lebih cepat, lebih hemat daya—secepat setiap 18 bulan. Ini melebihi prediksi Hukum Moore (pindah ke node proses yang lebih kecil setiap dua tahun) karena itulah yang dilakukan pesaing.

Perakit semikonduktor memberi tahu OEM alat apa yang ingin mereka capai sejauh kinerja chip, dan proses produksi apa yang mungkin diperlukan. OEM bekerja untuk membuat peralatan produksi yang dapat memungkinkan kinerja semacam itu, dan dalam melakukannya, mereka bekerja dengan perusahaan seperti Swagelok untuk menemukan komponen yang ada atau berkolaborasi dalam merekayasa komponen baru untuk mengaktifkan alat mereka. Kolaborasi ini sangat penting jika perusahaan semikonduktor ingin mengikuti kecepatan inovasi, karena membantu OEM menerima komponen yang mereka butuhkan saat ini dan membantu produsen komponen mengantisipasi kebutuhan industri di masa depan.

SRP: Apakah permintaan pasar untuk aplikasi elektronik tertentu mendorong inovasi semikonduktor, atau apakah kemajuan teknologi chip biasanya mendahului permintaan pasar?

CW: Ini bisa berjalan dengan baik. Terkadang, tekanan umum untuk terus mengembangkan teknologi semikonduktor dapat menyebabkan terobosan sebelum pasar tahu apa yang harus dilakukan dengan teknologi tersebut. Misalnya, pada 1990-an, kemampuan komputasi berkembang pesat, tetapi pengetahuan dan keterampilan perangkat lunak yang diperlukan untuk memanfaatkan kekuatan penuh teknologi chip masih kurang, sehingga aplikasi tertinggal di belakang kemampuan pemrosesan. Namun dalam kasus lain, mungkin ada tekanan untuk memberdayakan aplikasi yang ada untuk berbuat lebih banyak—kami melihat lebih banyak sekarang dengan kebutuhan untuk mengaktifkan lebih banyak pemrosesan data dan A.I. aplikasi.

Pada dasarnya, kita telah melihat tiga era permintaan. Dari tahun 1960-an hingga 1980-an, semuanya tentang memungkinkan komputer dan peralatan kalkulasi. Kami memiliki ribuan transistor pada chip saat itu. Mulai tahun 1980-an, kami melihat pergeseran penekanan untuk mengaktifkan teknologi seluler seperti laptop dan ponsel. Kami memiliki jutaan transistor pada sebuah chip pada saat ini. Dalam dekade terakhir, transfer dan penyimpanan data mendorong permintaan saat kami menciptakan teknologi yang lebih terhubung (dengan munculnya Internet of Things dan perangkat pintar yang mendukung interaksi sosial sepanjang waktu) dan data-sentris (dengan tren seperti Big Data dan pembelajaran mesin menciptakan permintaan).

SRP: Bagaimana permintaan berkelanjutan untuk chip yang lebih kecil, tetapi lebih kuat memengaruhi persyaratan kinerja komponen sistem fluida yang digunakan dalam manufaktur semikonduktor?

CW: Perubahan geometri chip semikonduktor dari waktu ke waktu telah mendorong kebutuhan akan produk sistem fluida yang berbeda yang digunakan dalam proses pembuatan chip. Terutama karena transistor menjadi lebih kecil, sangat penting untuk menghindari kontaminasi dalam pemrosesan, karena ini dapat memengaruhi hasil dan keandalan chip. Proses yang tidak terkendali dan kontaminasi komponen harus dihindari. Akibatnya, industri beralih dari katup bellow (masa pakai siklus yang lebih tinggi) ke katup diafragma (secara historis lebih bersih) yang memiliki lebih sedikit "ruang mati" dan volume gas yang terkandung, serta lebih sedikit bagian yang bergerak.

Sekarang, dengan dirilisnya Swagelok ^® Katup ALD20 baru-baru ini, kami melihat manfaat dari kapasitas aliran tinggi yang berasal dari katup bellow yang masih menawarkan kinerja kemurnian ultra tinggi (UHP) yang dibutuhkan dalam manufaktur semikonduktor modern. Hal ini dimungkinkan sebagian karena teknik manufaktur telah meningkat dari waktu ke waktu, dan karena kami juga memiliki akses ke material yang disempurnakan—baja VIM-VAR berkualitas tinggi dan paduan tahan korosi, misalnya. Ada juga teknik finishing yang lebih baik yang digunakan, seperti electropolishing dan passivation, serta pengujian yang lebih baik sebelum peluncuran produk daripada sebelumnya. Di masa lalu, saya telah melihat beberapa perusahaan berlomba sampai akhir untuk meluncurkan teknologi terlebih dahulu, tetapi mereka tidak cukup memenuhi syarat untuk komponen mereka, dan itu menyebabkan masalah bagi kami. Penting untuk diketahui bahwa produk akan bekerja di luar kotak seperti yang dijanjikan di ruang semikonduktor; komponen yang dapat Anda percayai untuk konsisten dan memberikan kinerja yang dapat diulang sangat penting.

SRP: Serupa dengan pertanyaan sebelumnya, apakah teknologi katup selalu berubah untuk memungkinkan proses produksi chip baru, atau apakah kemajuan manufaktur semikonduktor didorong oleh inovasi sistem fluida?

CW: Perubahan proses manufaktur semikonduktor pasti memainkan peran dalam menentukan apa yang kita butuhkan dari katup UHP dan komponen sistem fluida lainnya. Saat Anda memproduksi microchip, Anda biasanya melapisi wafer kristal—silikon, misalnya—dengan urutan dosis yang tepat dengan gas prekursor ke dalam ruang deposisi untuk melapisi wafer secara seragam sebelum mengeras. Kami semakin banyak menggunakan bahan kimia prekursor cair dan padat, menyublimnya menggunakan suhu tinggi dan proses yang dikontrol dengan hati-hati, kemudian menggunakan katup UHP untuk memasukkannya ke dalam wafer. Bahan kimia ini seringkali tidak stabil dan memiliki karakteristik korosif yang agresif, membuatnya sulit untuk digunakan secara efektif.

Kami sering mengandalkan proses deposisi lapisan atom (ALD) dan etsa lapisan atom (ALE) karena deposisi uap kimia (CVD) dan prekursor yang kami gunakan dalam proses itu tidak dapat dikontrol dengan cukup efektif untuk memfasilitasi pembuatan chip pada ukuran transistor kecil yang kami gunakan. lihat hari ini. Perubahan dalam proses dan kimia inilah—misalnya, industri beralih ke interkoneksi tembaga dari aluminium pada 1990-an karena konduktivitasnya yang lebih tinggi—yang memerlukan perubahan komponen.

Sejak awal, OEM alat menyadari bahwa hasil chip yang mengecewakan sering kali disebabkan oleh masalah proses daripada peralatan yang rusak. Kelembaban, bahan kimia reaktif yang terpapar ke atmosfer, partikel yang membentuk residu di katup dan mencegahnya menyegel—semua ini adalah tantangan yang dihadapi industri. Kami telah belajar saat kami telah berevolusi untuk mengendalikan tantangan proses, seringkali melalui komponen sistem fluida canggih dan desain sistem. Hal itu secara positif memengaruhi hasil kami, tetapi juga memengaruhi proses pembuatan chip dan persyaratan kinerja komponen yang memungkinkan.

SRP: Jika itu gambaran sejarah evolusi manufaktur semikonduktor, tantangan apa yang dihadapi industri saat ini, dan bagaimana hal itu memengaruhi persyaratan komponen sistem fluida?

CW: Untuk mencapai tahap berikutnya dalam pembuatan chip, kami memerlukan kontrol produk yang andal, pengulangan, dan konsistensi pembuatan katup. Alat semikonduktor membutuhkan banyak katup UHP, dan sulit untuk memiliki kinerja yang seragam sempurna dari katup ke katup, tetapi kita membutuhkan konsistensi manufaktur itu. Ini bukan hanya tentang produk berkualitas tinggi, tetapi kualitas yang sama dari katup ke katup.

Juga, perubahan suhu penting. Kami membutuhkan konsistensi kinerja pada suhu dan laju aliran yang lebih tinggi. Ada lebih banyak penekanan pada pembuatan chip 3D NAND sekarang, yang berarti lebih banyak bahan yang dilapisi ke celah yang lebih dalam pada chip karena transistor ditumpuk satu sama lain, jadi Anda perlu mendapatkan lebih banyak media prekursor yang dimasukkan ke wafer—mungkin 200 kali lebih banyak gas— untuk secara efektif melapisi lokasi ini. Ada toleransi yang semakin ketat, dan itu berarti lebih sedikit kelonggaran untuk variabilitas.

“Untuk mencapai tahap berikutnya dalam pembuatan chip, kami memerlukan kontrol produk yang andal, pengulangan, dan konsistensi pembuatan katup.”

SRP: Selain dosis yang tepat, stabilitas suhu, dan kapasitas aliran, apa lagi yang dibutuhkan industri dari katup UHP untuk terus mengikuti Hukum Moore?

CW: Kita harus tetap fokus pada kebersihan dan ketahanan korosi juga. Ilmu material penting di sini. Misalnya, katup ALD20 menggunakan Paduan 22 (Hastelloy ^® C22) di bagian bawah karena itu adalah bahan yang tahan terhadap bahan kimia yang sangat korosif. Tapi sehebat itu, bahan ini pun tidak ideal dalam setiap prosesnya. Lapisan khusus mungkin diperlukan untuk menangani kimia yang berbeda karena geometri menjadi lebih kecil dan bahan kimia prekursor menjadi lebih agresif. Mengembangkan pelapis ini bisa jadi sulit dan mahal, tetapi toleransi terhadap korosi dalam proses kami semakin berkurang.

Inilah sebabnya mengapa sangat penting bagi penyedia solusi sistem fluida bekerja sama dengan produsen OEM dan semikonduktor saat mereka mengembangkan produk baru. Kolaborasi penting ketika Swagelok memperkenalkan katup ALD pertama beberapa dekade yang lalu, dan itu tetap lebih penting dari sebelumnya. Terkadang ini berarti bekerja dengan OEM alat, tetapi karena tuntutan alat mereka didorong oleh pembuat chip, terkadang Anda juga perlu bekerja dengan fab secara langsung. Ini tentang pemecahan masalah bersama dan mencari tahu apa yang masuk akal berdasarkan siklus pengembangan perusahaan yang terlibat. Tapi kolaborasi inilah yang akan memungkinkan teknologi masa depan.

SRP: Seperti apa kolaborasi dengan pemasok selama karir Anda? Bagaimana Anda mengalaminya secara pribadi?

CW: Di awal karir saya, ketika saya masih di ASM, saya berkolaborasi dengan Swagelok dalam pengembangan Swagelok ^® Katup diafragma UHP seri DH. Kami membutuhkan katup yang akan bekerja dalam ruang hampa pada 220º C dan lebih kecil dari yang tersedia di pasaran saat itu sehingga kami dapat memasang lebih banyak katup di ruang kecil untuk mendapatkan kinerja yang lebih baik dari alat ALD kami. Saya bekerja dengan Swagelok Southwest dan departemen teknik perusahaan Swagelok untuk menguji opsi, dan kami akhirnya sampai pada solusi yang bagus. Hasilnya adalah katup diafragma dengan desain piston ganda, pelumas baru untuk membantu menghindari kontaminasi di ruang vakum, dan ketahanan suhu ekstrem yang akan bertahan lebih dari 10 juta siklus.

Juga membantu bahwa tim Swagelok transparan dan bersedia berbagi protokol dan data pengujian selama proses berlangsung, yang tidak selalu terjadi pada produsen lain. Juga, seperti yang selalu terjadi dengan upaya kolaboratif, orang-orang membuat perbedaan. Anda ingin bekerja dengan orang-orang yang memudahkan Anda menikmati pekerjaan Anda, dan tim yang bekerja dengan saya dalam proyek ini adalah yang terbaik. Dalam karir industri semikonduktor saya, saya selalu mencari kontak bisnis yang menginginkan situasi win-win ketika berurusan dengan pelanggan mereka, bukan hanya "kita menang." Kedua jenis perusahaan ada di luar sana, jadi saya selalu memilih dengan hati-hati.

SRP: Apa selanjutnya untuk industri semikonduktor? Tantangan apa yang perlu diatasi, dan apa yang dapat kita harapkan dalam waktu dekat?

CW: Salah satu tantangan bagi industri ini adalah memenuhi kebutuhan penskalaan. Sekarang kita berada di node proses 7 nm atau 5 nm, ke mana kita pergi dari sini? Apakah bahan dan kemampuan manufaktur ada untuk menjaga teknologi miniaturisasi lebih jauh? Penumpukan NAND 3D adalah salah satu solusi—kita melihat lebih banyak semikonduktor yang ditumpuk di atas satu sama lain, memungkinkan jumlah transistor tiga kali lipat untuk dikemas ke dalam satu area dibandingkan dengan apa yang telah dilakukan secara tradisional. Teknologi baru sedang dikerjakan untuk memfasilitasi ini, seperti teknologi pengaktifan deposisi selektif yang memungkinkan Anda hanya menyetor di tempat yang Anda inginkan pada wafer, daripada melapisi seluruh permukaan.

Bahan juga berubah. Industri melihat silikon karbida sebagai dasar untuk wafer daripada silikon. Silikon mudah ditemukan dan murah, sehingga diadopsi secara luas, tetapi kita dapat melihat bahan seperti germanium kembali digunakan karena bahan yang berbeda diperlukan untuk menyediakan daya ke transistor dalam ukuran kecil. Bahan cepat dan menjanjikan lainnya telah diselidiki dari waktu ke waktu, tetapi proses manufaktur atau persyaratan chip mungkin tidak membuat bahan khusus yang mahal ini layak secara ekonomi. Sekarang, kita mungkin membutuhkan mereka.

Bukan hanya bahan wafer yang perlu diubah, tetapi proses kami:apa yang kami simpan, bagaimana kami mengetsa, dan sebagainya. Metode yang lebih baru seperti litografi ultraviolet ekstrim (EUV) sedang digunakan, tetapi begitu kita mulai bekerja menuju transistor yang lebih kecil dari 5–3 nm, itu mungkin tidak bekerja lebih lama. Biaya menjadi lebih tinggi secara eksponensial semakin kecil Anda, jadi kami mungkin melihat lebih banyak penyedia khusus tetap mencoba mengikuti Hukum Moore daripada semua orang karena akan menjadi terlalu mahal untuk melakukannya.

SRP: Terima kasih atas perspektifnya, Carl. Apakah Anda memiliki kata-kata bijak terakhir untuk para profesional semikonduktor yang mengisi jenis peran yang pernah Anda pegang di masa lalu?

CW: Jika satu hal yang pasti, kita akan terus melihat kemajuan, bahkan jika kita tidak selalu bisa melihat bagaimana hal itu akan terjadi. Satu hal yang dapat Anda andalkan adalah kebutuhan akan hubungan dan kolaborasi yang kuat untuk mencapai tujuan yang Anda tuju.

Ketika Anda memiliki kebutuhan khusus, itu tidak selalu sesederhana membeli produk dari rak untuk mengatasinya; Anda kadang-kadang harus bekerja dengan mitra untuk mengembangkan solusi generasi berikutnya. Ketika Anda melakukannya, cari perusahaan yang memiliki kemampuan teknik dan pola pikir kolaboratif untuk membantu Anda mencapai tujuan yang Anda inginkan. Anda membutuhkan kolaborator yang akan mendengarkan kebutuhan Anda, tidak pernah menjanjikan apa pun yang tidak dapat mereka lakukan, dan yang tidak akan mengorbankan kualitas hanya untuk membuat Anda bahagia. Ini adalah risiko yang Anda hadapi dengan banyak perusahaan saat bergerak cepat, jadi pelajari siapa yang dapat Anda percayai. Membangun hubungan adalah hal terbaik yang dapat Anda lakukan untuk membangun hasil.

“…cari perusahaan yang memiliki kemampuan teknik dan pola pikir kolaboratif untuk membantu Anda mencapai tujuan. Anda membutuhkan kolaborator yang akan mendengarkan kebutuhan Anda…”

SRP: Terima kasih, Carl! Kami menghargai Anda meluangkan waktu untuk berbagi pengetahuan dengan kami hari ini.

CW: Dengan senang hati. Saya senang membantu.