Evolusi Semikonductor Terungkap: Masa Lalu, Kini, dan Masa Depan – Tanya Jawab Ahli
Pembuatan Semikonductor Masa Lalu, Kini, dan Masa Depan: Q&A dengan Konsultan Industri Carl White
Moore's Law, konsep yang pertama kali diajukan oleh pendiri Intel Gordon E. Moore pada tahun 1965, memprediksi bahwa jumlah transistor pada rangkaian terpadu (atau mikrochip) akan perlu melipat ganda setiap dua tahun sementara biaya komputasi dikurangi sebanyak setengah, yang mengarah pada pertumbuhan eksponensial dalam daya komputasi. Industri semikonductor telah bekerja keras untuk tetap mengikuti paradigma ini, tetapi terus memberikan lebih banyak daya pemrosesan dalam ruang yang lebih kecil tidak mudah, terutama ketika kompetitor berusaha mencapai tujuan yang sama dan permintaan konsumen terhadap kemajuan teknologi konstan.
Dengan izin sebagian besar dari Moore's Law, "Saya merasa kebutuhan—kebutuhan akan kecepatan!" dapat terasa lebih seperti deskripsi kehidupan sehari-hari di industri semikonductor daripada kutipan dari film Top Gun. Ini adalah salah satu banyak poin kunci dari percakapan kami terbaru dengan veteran industri Carl White, konsultan insinyur utama di C.L. White Engineering Services, LLC. Setelah menghabiskan hampir 40 tahun bekerja di bisnis di seluruh rantai pasokan industri semikonductor, Carl memberikan perspektif yang hebat tentang kebutuhan yang tak kenal lelah akan kecepatan—baik dalam pengembangan maupun daya pemrosesan. Baca lanjut untuk mengetahui apa yang dikatakannya tentang apa yang telah diperlukan untuk berinovasi cukup cepat untuk mengikuti Moore's Law di masa lalu, tantangan apa yang dihadapi industri semikonductor saat ini, dan apa yang dapat kita harapkan di masa depan yang dekat.
Swagelok Reference Point (SRP): Terima kasih telah bergabung dengan kami, Carl. Bisakah Anda memulai dengan memberi kami sedikit informasi tentang latar belakang Anda?
Carl White: Saya adalah orang asli Arizona, dan saya belajar manajemen teknologi industri dan teknik mekanis di Arizona State sebelum memulai karir saya di ASM, produsen alat pemrosesan semikonductor OEM, pada tahun 1982. Dari sana saya pergi bekerja di Spectrum CVD, yang saat itu dimiliki oleh Motorola; Materials Research Corporation, yang akhirnya menjadi bagian dari Sony; Tokyo Electron, juga dikenal sebagai TEL; dan akhirnya Applied Materials. Saya telah menghabiskan 28 dari 38 tahun saya di industri semikonductor bekerja dalam ruang 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 (atomic layer deposition). Sekarang saya berkonsultan dengan perusahaan di industri.
SRP: Sepertinya Anda memiliki perspektif yang menarik, setelah bekerja secara luas di sisi OEM alat dan pembuat chip industri. Apa yang mendorong Anda untuk menghabiskan karir Anda melakukan ini?
CW: Ini adalah industri yang sangat cepat. Teknologi terus berubah dan itu mengharuskan kreativitas dan pembelajaran berkelanjutan bagi mereka yang bekerja di ruang ini. Tidak ada kesempatan untuk bosan! Ini juga menyenangkan untuk melihat bagaimana desain yang saya kerjakan mendorong perubahan, karena teknologi semikonductor penting dalam hampir setiap industri lain.
SRP: Tren meta apa yang Anda lihat mendorong evolusi industri semikonductor?
CW: Awalnya, itu adalah program angkasa. Nantinya, itu adalah teknologi konsumen. Kami beralih dari menggunakan segregang hitung ke kalkulator gangan ke komputer pribadi ke smartphone, dan itu mungkin karena evolusi teknologi semikonductor. Sekarang kami melihat munculnya A.I. dan kendaraan otonom yang mendorong perubahan. Hal yang konstan adalah kebutuhan untuk memproduksi produk dan menyampaikan informasi lebih cepat. Teknologi semikonductor baru terus diperlukan untuk memenuhi permintaan akan lebih banyak daya komputasi.
Ada juga dorongan yang datang dari persaingan untuk kepemimpinan inovasi semikonductor. Ini bukan hanya persaingan antara perusahaan, tetapi sesuatu yang terjadi pada skala global. Seiring waktu, berbagai negara telah memimpin pengembangan teknologi semikonductor, dan perubahan dinamis itu terkadang mengarah pada kolaborasi yang lebih besar pada tingkat industri. Misalnya, 14 perusahaan semikonductor berbasis AS bergabung dengan pemerintah AS pada tahun 1987 untuk membentuk SEMATECH, konsorsium pembuatan chip, dalam upaya untuk meningkatkan kualitas chip yang mereka produksi untuk lebih baik bersaing di pasar global. Itu mempercepat kemajuan di industri semikonductor di AS. Saat itu, banyak perusahaan mencoba melakukan segalanya… merancang, memproduksi, dan menjual teknologi chip. Mereka belajar untuk spesialisasi, yang mengarah pada pabrikasi yang membuat chip untuk perusahaan lain, yang juga membantu menyederhanakan kemajuan industri.
SRP: Bisakah Anda menjelaskan hubungan antara kepadatan chip dan evolusi teknologi semikonductor dan elektronik yang didukungnya? Bagaimana hal itu mempengaruhi peralatan dan komponen yang diperlukan untuk memproduksi chip?
CW: Miniaturisasi adalah kebutuhan konstan untuk mengikuti Moore's Law. Untuk mendapatkan lebih banyak transistor pada chip, Anda perlu membuatnya semakin kecil. Anda juga harus menyesuaikan peralatan agar selaras dengan kemajuan proses manufaktur. Titik infleksi besar terjadi pada akhir tahun 1990, awal tahun 2000 ketika industri beralih dari wafer silikon 200 mm ke 300 mm sebagai fondasi untuk chip—ini memerlukan perubahan manufaktur dan alat besar. Pengembangan pintu gerbang high-K (konstanta dielektrik) untuk transistor 45 nm (nanometer) yang mengizinkan kebocoran elektron yang lebih sedikit adalah langkah besar lainnya dalam upaya industri untuk miniaturisasi. Saya cukup beruntung untuk bekerja pada pengembangan peralatan yang digunakan Intel untuk memproduksi ini, jadi perubahan itu menyenangkan untuk disaksikan. Untuk perspektif, sekarang perusahaan sedang bekerja pada produksi chip 5 nm.
Secara umum, kami telah melihat perusahaan mencoba beralih ke node proses yang lebih kecil—artinya pembuatan ukuran fitur teknologi semikonductor yang lebih kecil dalam upaya untuk menciptakan transistor yang lebih kecil, lebih cepat, dan lebih hemat daya—secepat setiap 18 bulan. Ini melebihi prediksi Moore's Law (beralih ke node proses yang lebih kecil setiap dua tahun) karena itulah yang dilakukan kompetitor.
Pabrikan semikonductor memberi tahu produsen alat OEM apa yang ingin mereka capai seperform chip, dan proses produksi apa yang mungkin diperlukan. Produsen OEM bekerja pada pembuatan peralatan produksi yang dapat mengaktifkan performa semacam itu, dan dalam melakukan itu, mereka bekerja dengan perusahaan seperti Swagelok untuk menemukan komponen yang ada atau untuk bekerjasama dalam pengembangan komponen baru untuk mengaktifkan alat mereka. Kolaborasi ini sangat penting jika perusahaan semikonductor akan tetap mengikuti kecepatan inovasi, karena itu membantu produsen OEM menerima komponen yang mereka butuhkan hari ini dan membantu produsen komponen memprediksi kebutuhan industri di masa depan.
SRP: Apakah permintaan pasar untuk aplikasi elektronik tertentu mendorong inovasi semikonductor, atau kemajuan teknologi chip biasanya mendahului permintaan pasar?
CW: Bisa pergi ke kedua arah. Kadang-kadang, tekanan umum untuk terus berevolusi teknologi semikonductor dapat mengarah pada terobosan sebelum pasar tahu apa yang harus dilakukan dengan teknologi tersebut. Misalnya, pada tahun 1990, kemampuan komputasi cepat berkembang, tetapi pengetahuan dan keterampilan perangkat lunak yang diperlukan untuk memanfaatkan daya penuh teknologi chip kurang, sehingga aplikasi tertinggal dibalik kemampuan pemrosesan. Namun dalam kasus lain, dapat ada tekanan untuk memberdayakan aplikasi yang ada untuk melakukan lebih banyak—kita melihat ini lebih banyak sekarang dengan kebutuhan untuk mengaktifkan lebih banyak aplikasi pemrosesan data dan A.I.
Secara dasar, kami telah melihat tiga era permintaan. Dari tahun 1960 hingga 1980, semuanya tentang mengaktifkan komputer dan peralatan perhitungan. Kami memiliki ribuan transistor pada chip saat itu. Mulai tahun 1980, kami melihat penekanan beralih ke mengaktifkan teknologi seluler seperti laptop dan ponsel. Kami memiliki jutaan transistor pada sebuah chip saat titik 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 memajukan interaksi sosial 24 jam) dan berpusat data (dengan tren seperti Big Data dan machine learning yang menciptakan permintaan).
SRP: Bagaimana permintaan yang berkelanjutan untuk chip yang lebih kecil, tetapi lebih kuat mempengaruhi persyaratan kinerja komponen sistem fluida yang digunakan dalam pembuatan semikonductor?
CW: Perubahan geometri chip semikonductor seiring waktu telah mendorong kebutuhan akan produk sistem fluida yang berbeda yang digunakan dalam proses pembuatan chip. Khususnya seiring transistor semakin kecil, sangat penting untuk menghindari kontaminasi dalam pemrosesan, karena ini dapat mempengaruhi hasil produksi dan keandalan chip. Proses yang tidak terkontrol dan kontaminasi komponen harus dihindari. Akibatnya, industri beralih dari klep bellows (umur siklus yang lebih tinggi) ke klep diafragma (secara historis lebih bersih) yang memiliki "ruang mati" dan volume gas yang terkandung lebih sedikit, serta lebih sedikit bagian bergerak.
Sekarang, dengan peluncuran klep Swagelok® ALD20 baru-baru ini, kita melihat manfaat dari kapasitas aliran tinggi yang berasal dari klep bellows yang masih menawarkan performa ultra-murni (UHP) yang diperlukan dalam pembuatan semikonductor modern. Hal ini mungkin terjadi sebagian karena teknik manufaktur telah meningkat seiring waktu, dan karena kita juga memiliki akses ke bahan yang ditingkatkan—contohnya, logam VIM-VAR berkualitas tinggi dan aloy tahan korosi. Ada juga teknik finishing yang lebih baik yang diterapkan, seperti electropolishing dan passivation, serta pengujian yang lebih baik sebelum peluncuran produk daripada dulu. Di masa lalu, saya telah melihat beberapa perusahaan berlomba-lomba untuk meluncurkan teknologi terlebih dahulu, tetapi mereka tidak mengkualifikasi komponen mereka dengan cukup baik, dan itu menyebabkan masalah bagi kami. Penting untuk mengetahui bahwa produk akan bekerja langsung dari kotak sesuai janji di ruang semikonductor; komponen yang dapat dipercaya untuk konsisten dan memberikan performa yang dapat diulang adalah krusial.
SRP: Mirip dengan pertanyaan sebelumnya, apakah teknologi klep selalu berubah untuk mengaktifkan proses pembuatan chip baru, atau kemajuan pembuatan semikonductor yang mendorong inovasi sistem fluida?
CW: Perubahan proses pembuatan semikonductor pasti telah memainkan peran dalam menentukan apa yang kita butuhkan dari klep UHP dan komponen sistem fluida lainnya. Saat Anda memproduksi mikrochip, biasanya Anda melapisi wafer kristal—silikon, misalnya—dengan urutan dosis yang tepat dengan gas precursort ke dalam kamar depo untuk melapisi wafer secara merata sebelum menyegerakannya. Kami semakin menggunakan bahan kimia precursort cair dan padat, mengublahnya dengan suhu tinggi dan proses yang dikontrol dengan hati-hati, lalu menggunakan klep UHP untuk mendosisnya pada wafer. Bahan kimia ini sering tidak stabil dan memiliki karakteristik yang agresif dan korosif, sehingga sulit untuk bekerja dengan efektif.
Kami bergantung pada proses deposisi lapisan atom (ALD) dan pencetakan lapisan atom (ALE) sering karena deposisi uap kimia (CVD) dan precursort yang kami gunakan dalam proses tersebut tidak dapat dikontrol cukup efektif untuk memfasilitasi pembuatan chip pada ukuran transistor kecil yang kita lihat saat ini. Ini adalah perubahan dalam proses dan kimia—misalnya, industri beralih ke interkoneksi tembaga dari aluminium pada tahun 1990 karena konduktivitasnya yang lebih tinggi—yang memaksa perubahan komponen.
Awalnya, produsen alat OEM menyadari bahwa hasil produksi chip yang mengecewakan sering disebabkan oleh masalah proses daripada alat yang rusak. Kelembaban, bahan kimia reaktif yang terkena atmosfer, partikel yang membentuk residu dalam klep dan mencegah mereka menyegel—ini semua adalah tantangan yang dihadapi industri. Kami telah belajar seiring perkembangannya untuk mengontrol tantangan proses, sering melalui komponen sistem fluida lanjutan dan desain sistem. Itu telah mempengaruhi hasil kami secara positif, tetapi itu juga mempengaruhi proses pembuatan chip dan persyaratan kinerja komponen pendukung.
SRP: Jika itu gambaran historis evolusi pembuatan semikonductor, tantangan apa yang dihadapi industri saat ini, dan bagaimana itu mempengaruhi persyaratan komponen sistem fluida?
CW: Untuk mencapai tahap berikutnya pembuatan chip, kami memerlukan kontrol produk yang andal, repeatabilitas, dan konsistensi manufaktur klep. Alat semikonductor memerlukan banyak klep UHP, dan sulit untuk memiliki performa yang seragam dari klep ke klep, tetapi kami butuh konsistensi manufaktur tersebut. Ini bukan sekadar tentang produk berkualitas tinggi, tetapi kualitas yang sama dari klep ke klep.
Selain itu, perubahan suhu penting. Kami memerlukan konsistensi performa pada suhu dan laju aliran yang lebih tinggi. Sekarang ada lebih banyak penekanan pada pembuatan chip 3D NAND, yang berarti lebih banyak bahan yang dilapisi di celah yang lebih dalam pada chip saat transistor ditumpuk di atas satu sama lain, jadi Anda perlu mendapatkan lebih banyak media precursort yang difoskan pada wafer—mungkin 200 kali lebih banyak gas—untuk melapisi lokasi-lokasi ini secara efektif. Ada toleransi yang semakin ketat, dan itu berarti lebih sedikit ruang untuk variabilitas.
"Untuk mencapai tahap berikutnya pembuatan chip, kami memerlukan kontrol produk yang andal, repeatabilitas, dan konsistensi manufaktur klep."
SRP: Selain dosing yang presisi, stabilitas suhu, dan kapasitas aliran, apa lagi yang dibutuhkan industri dari klep UHP untuk terus mengikuti Moore's Law?
CW: Kami harus tetap fokus pada kebersihan dan resistensi korosi. Ilmu bahan penting di sini. Misalnya, klep ALD20 menggunakan Alloy 22 (Hastelloy® C22) pada bellows karena itu adalah bahan yang dapat menahan kimia yang sangat korosif. Namun, seberapa bagus pun, bahkan bahan ini tidak ideal dalam setiap proses. Pelapis khusus mungkin diperlukan untuk menangani kimia yang berbeda saat geometri semakin kecil dan bahan kimia precursort semakin agresif. Mengembangkan pelapis ini dapat sulit dan mahal, tetapi kami memiliki toleransi yang semakin kecil terhadap korosi dalam proses kami.
Itulah mengapa penting bahwa penyedia solusi sistem fluida bekerja sama erat baik dengan OEM maupun produsen semikonductor saat mereka mengembangkan produk baru. Kolaborasi penting ketika Swagelok memperkenalkan klep ALD pertama beberapa dekade yang lalu, dan tetap lebih penting dari pada sebelumnya. Kadang-kadang ini berarti bekerja dengan produsen alat OEM, tetapi karena tuntutan pada alat mereka didorong oleh pabrik chip, terkadang Anda juga perlu bekerja langsung dengan pabrik. Ini tentang pemecahan masalah bersama dan menentukan apa yang masuk akal berdasarkan siklus pengembangan perusahaan yang terlibat. Tapi kolaborasi inilah yang akan memungkinkan teknologi besok.
SRP: Bagaimana kolaborasi dengan pemasok terlihat selama karir Anda? Bagaimana Anda mengalami itu secara pribadi?
CW: Awalnya dalam karir saya, saat saya di ASM, saya bekerjasama dengan Swagelok pada pengembangan klep diafragma UHP seri Swagelok® DH. Kami membutuhkan klep yang akan beroperasi dalam vakum pada 220º C dan lebih kecil dari yang tersedia di pasar saat itu sehingga kami dapat memasang lebih banyak klep dalam ruang kecil untuk mendapatkan performa yang lebih baik dari alat ALD kami. Saya bekerja dengan Swagelok Southwest dan departemen insinyur korporat Swagelok untuk menguji opsi, dan kami akhirnya sampai pada solusi yang hebat. Hasilnya adalah klep diafragma dengan desain piston ganda, pelumas baru untuk membantu menghindari kontaminasi dalam kamar vakum, dan resistensi suhu ekstrem yang akan bertahan lebih dari 10 juta siklus.
Ini juga membantu bahwa tim Swagelok transparan dan bersedia berbagi protokol dan data pengujian selama proses, yang tidak selalu terjadi dengan produsen lain. Selain itu, seperti selalu terjadi dengan upaya kolaboratif, orang membuat perbedaan. Anda ingin bekerja dengan orang-orang yang membuatnya mudah bagi Anda untuk menikmati pekerjaan Anda, dan tim yang saya kerjakan dalam proyek ini adalah yang terbaik. Dalam karir industri semikonductor saya, saya selalu mencari kontak bisnis yang ingin situasi win-win saat berurusan dengan pelanggan mereka, bukan hanya "kami menang." Keduanya ada di luar sana, jadi saya selalu memilih dengan hati-hati.
SRP: Apa yang akan datang untuk industri semikonductor? Tantangan apa yang perlu diatasi, dan apa yang dapat kita harapkan di masa mendekat?
CW: Salah satu tantangan bagi industri adalah tetap mengikuti kebutuhan penskalaan. Sekarang kita berada di node proses 7 nm atau 5 nm, ke mana kita pergi dari sini? Apakah bahan dan kemampuan manufaktur yang ada untuk melanjutkan miniaturisasi teknologi lebih lanjut? Penumpukan 3D NAND adalah satu solusi—kita melihat lebih banyak semikonductor ditumpuk di atas satu sama lain, yang memungkinkan tiga kali lebih banyak transistor dikemas dalam satu area dibandingkan yang dilakukan secara tradisional. Teknologi baru sedang dikerjakan untuk memfasilitasi ini, seperti teknologi deposisi selektif yang memungkinkan Anda hanya menempatkan di mana Anda ingin pada wafer, bukan melapisi seluruh permukaan.
Bahan juga berubah. Industri mempertimbangkan karbida silikon sebagai dasar untuk wafer daripada silikon. Silikon mudah ditemukan dan murah, jadi secara luas diadopsi, tetapi kita bisa melihat bahan seperti geranium kembali digunakan karena bahan yang berbeda diperlukan untuk memberikan daya ke transistor pada ukuran yang kecil. Bahan lain yang cepat dan menjanjikan telah diteliti seiring waktu, tetapi proses manufaktur atau persyaratan chip mungkin belum membuat bahan spesial mahal ini secara ekonomis layak. Sekarang, kita mungkin membutuhkannya.
Bukan hanya bahan wafer yang perlu berubah, tetapi proses kami: apa yang kita depo, bagaimana kita mengikat, dan sebagainya. Metode yang lebih baru seperti litografi ultraviole tempa ekstrim (EUV) sedang digunakan, tetapi setelah kita mulai bergerak menuju transistor yang lebih kecil dari 5–3 nm, itu mungkin tidak akan berhasil lagi. Biaya menjadi eksponensial lebih tinggi semakin kecil Anda pergi, jadi kita mungkin akan melihat lebih banyak penyedia spesial yang mencoba untuk tetap mengikuti Moore's Law daripada semua orang karena akan menjadi terlalu mahal untuk melakukannya.
SRP: Terima kasih atas perspektifnya, Carl. Apakah Anda memiliki kata-kata kebijakan terakhir untuk profesional semikonductor yang memegang jenis peran yang Anda pegang di masa lalu?
CW: Jika satu hal pasti, itu adalah kita akan terus melihat kemajuan, bahkan jika kita tidak selalu dapat melihat bagaimana itu akan terjadi. Satu hal yang dapat Anda percayai adalah kebutuhan akan hubungan yang kuat dan kolaborasi untuk mencapai tempat yang Anda inginkan.
Saat Anda memiliki kebutuhan khusus, itu tidak selalu sebesar membeli produk dari rak untuk mengatasi itu; Anda harus bekerja dengan mitra untuk mengembangkan solusi generasi berikut kadang-kadang. Ketika Anda melakukannya, cari perusahaan yang memiliki kemampuan insinyur dan pola pikir kolaboratif untuk membantu Anda mencapai tempat yang Anda inginkan. Anda perlu mitra yang akan mendengarkan kebutuhan Anda, tidak pernah menjanjikan sesuatu yang tidak dapat mereka lakukan, dan yang tidak akan mengorbankan kualitas hanya untuk membuat Anda bahagia. Itu adalah risiko yang Anda hadapi dengan banyak perusahaan saat bergerak cepat, jadi pelajari siapa yang dapat dipercaya. Membangun hubungan adalah hal terbaik yang dapat Anda lakukan untuk membangun hasil.
"...cari perusahaan yang memiliki kemampuan insinyur dan pola pikir kolaboratif untuk membantu Anda mencapai tempat yang Anda inginkan. Anda perlu mitra yang akan mendengarkan kebutuhan Anda..."
SRP: Terima kasih, Carl! Kami menghargai Anda telah meluangkan waktu untuk berbagi pengetahuan Anda dengan kami hari ini.
CW: Senang membantu. Saya senang membantu.
