Sådan hjælper automatisering amerikanske producenter med at skalere halvlederproduktion

Halvledere er kernen i al moderne elektronik, energidistribution og vedvarende energiproduktion. Halvlederprodukter spænder fra simple diskrete komponenter som transistorer og dioder til komplekse integrerede kredsløb eller IC'er. Halvlederenheder er ofte kernen i logiske porte, der tilsammen udgør digitale kredsløb. De findes også i oscillatorer, sensorer, analoge forstærkere, fotovoltaiske celler, lysdioder, lasere og effektkonvertere. Industriens produktkategorier omfatter hukommelse, logik, analoge IC'er, mikroprocessorer, diskrete strømforsyninger og sensorer.

Figur 1: Produktionen af integrerede kredsløb og andre halvlederprodukter kræver specialudstyr. (Billedkilde: Getty Images)

På trods af halvledernes kritiske natur er store dele af verden afhængig af udiversificerede og derfor sårbare globale forsyningskæder. Det skyldes meget betydelige stordriftsfordele, som gør stærkt konsolideret produktion mere økonomisk konkurrencedygtig. Halvlederfabrikker koster trods alt milliarder at bygge og kræver meget højtuddannet personale.

Figur 2: Lineære motorer, remtræk og lineære miniatureprofilskinner er blot noget af det præcisionsudstyr, der indgår i maskiner til forarbejdning af halvledere. (Billedkilde: Getty Images)

De fleste fabrikker (støberier) ligger i Taiwan, Japan, Kina, USA og Tyskland og har været i drift i årtier. Men mere end halvdelen af alle halvledere og mere end 90 % af alle avancerede halvledere fremstilles i Taiwan, og alle større elektronikproducenter bruger en enkelt taiwansk halvlederfabrik til i det mindste en del af deres halvlederfremstilling. De seneste geopolitiske spændinger har sat skarpt fokus på farerne ved en sådan afhængighed. 2022 Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors (CHIPS) and Science Act har til formål at løse dette problem ved at tilskynde operatører og automatiseringsleverandører til at etablere og udvide den amerikanske halvlederproduktion.

Halvlederfremstillingens tilstand

De fleste materialer er enten gode ledere af elektricitet, som f.eks. metaller, eller isolatorer, som f.eks. glas. Halvledere har en elektrisk ledningsevne, der ligger mellem lederes og isolatorers; ledningsevnen justeres ved at indføre urenheder i krystalstrukturen via en proces, der kaldes doping. Doping med et elektron-donor-element giver en negativ ladning for en N-type halvleder. Omvendt skaber doping med et elektronacceptorelement huller med positiv ladning for en p-type halvleder. To tilstødende, men forskelligt doterede områder i en enkelt krystal danner en halvleder P-N-overgang. Transistorer kan være arrangeret med NPN- eller PNP-overgange.

Silicium er langt det mest almindelige halvledermateriale. Almindelige N-type dopingstoffer er fosfor og arsenik, mens almindelige P-type dopingstoffer er bor og gallium.

Figur 3: Den seksaksede robot i denne maskine fra Jabil Precision Automation Solutions udfører opgaver relateret til automatiseret retikelsortering uden at gå på kompromis med det indesluttede renrumsmiljø. (Billedkilde: Omron Automation Americas)

Den mest avancerede halvlederproduktion fremstiller produkter med nanoskala-egenskaber på mellem 1 og 100 nm. Da en nanometer er en milliardtedel af en meter, og afstanden mellem individuelle atomer i et fast stof er mellem 0,1 og 0,4 nm, har moderne halvleder-nanostrukturer nærmet sig grænsen for, hvor små materialestrukturer kan være. Den ekstreme præcision, der er involveret i fremstillingen af sådanne produkter, kræver processer, der udføres i renrumsmiljøer, samt beskyttelse mod vibrationer fra seismisk aktivitet, lokale fly, tog, trafik og nærliggende maskiner.

De vigtigste processer i IC-fremstilling er wafer-produktion, litografi og selektiv doping - oftest ved ionimplantation. Mange fabrikker specialiserer sig i enten wafer-fremstilling eller den efterfølgende chip-fremstilling, der involverer fotolitografi og doping. Taiwan Semiconductor (TSMC) producerer både wafers og chips; det er den eneste fabrik, der producerer avancerede 5 nm og 3 nm chips. Nogle halvlederproducenter som Intel og Texas Instruments har deres egne fabrikker og er kun afhængige af TSMC til at levere deres mest avancerede chips. Men mange producenter uden fabrik (herunder Apple, ARM og Nvidia) er helt afhængige af TSMC til deres halvlederproduktion.

Figur 4: GlobalFoundries påbegyndte for nylig en investering på 1 mia. dollars for at gøre det muligt for deres eksisterende anlæg i staten New York at producere yderligere 150.000 wafere om året. Denne nye kapacitet har til formål at imødekomme efterspørgslen efter funktionsrige chips til bilindustrien, 5G og IoT-applikationer. Anlægget vil også understøtte nationale sikkerhedskrav til en sikker forsyningskæde. (Billedkilde: GlobalFoundries)

Selvom AMD teknisk set er fabriksløs, er de ikke afhængige af TSMC og har tidligere fremstillet deres egne chips. AMD udskilte sin fabrikationsvirksomhed og kaldte den GlobalFoundries. Sidstnævnte driver fabrikker i USA, Europa og Singapore. Fabrikken i New York har historisk set produceret chips ned til 14 nm; i horisonten er der 4 nm chips og derefter 3 nm chips.

Overvejelse af specifikke spånfremstillingsprocesser

En stor del af halvlederproduktionen anvender skalerbare processer med højt udbytte, der gør det muligt at skabe millioner af individuelle elementer (selv elementer i nanoskala) i et enkelt trin. Overvej nogle af detaljerne.

Fremstilling af siliciumskiver: Polykrystallinske siliciumklumper smeltes i en delvist evakueret argonatmosfære og trækkes derefter ved hjælp af en frøkrystal for at dyrke en enkeltkrystallinsk siliciumblok - en cylinder med hoved- og halekegler, der dannes, når processen startes og stoppes. Silikonen kan tilsættes lidt ensartet doping på dette tidspunkt.

Figur 5: Her ses flere krystalsiliciumblokke og de skiver, der kan skæres ud af dem. Der er stadig kegler på barrerne efter trækning og før slibning. (Billedkilde: Getty Images)

Derefter slibes barren til en blok med en præcis diameter, og der tilføjes et hak for at angive krystalretningen. Blokken skæres derefter i skiver ved hjælp af en wire-sav. Skiverne affases og lappes ved hjælp af diamantslibeværktøjer; og derefter forfines overfladefinishen med kemisk ætsning, varmebehandling, polering og rengøring med ultrarent vand og kemikalier. Waferne inspiceres for planhed og partikelfri renhed, før de pakkes.

Figur 6: Selv tilsyneladende velkendte rengøringsprodukter antager nye former, når de skal bruges i renrum. (Billedkilde: ACL Staticide Inc.)

Litografi: Elektroniske kredsløb fremstilles ved først at deponere en tynd film af metallisk leder på et halvledersubstrat og derefter bruge litografi til at printe en maske til kredsløbets mønstre, før man ætser det resterende ledende lag væk. Disse metoder blev oprindeligt udviklet til større trykte kredsløb, men bruges nu til fremstilling af IC'er i nanoskala. Metalfinner printes i et gittermønster, hvor 5 nm processens chips har finner med en afstand på ca. 20 nm. Automatiserede systemer til denne særlige proces anvender ofte teknologier med direkte drev samt stabiliseringsbaser og -software og endda luftlejer.

Figur 7: Nanoskalastrukturer kan undersøges med elektronmikroskoper og scanning tunnelling-mikroskoper. Udstyr til reparation af fotomasker som det, der er vist her, automatiserer detektering af defekter og verificering af reparationer for at fremskynde gennemløbet. Atomkraftmikroskopi gør det muligt at opdage og reparere defekter og fremmede partikler med nanometers nøjagtighed og præcision på angström-niveau. (Billedkilde: Park Systems)

Aflejring af tyndfilmsmateriale: I denne proces aflejres metallisk materiale på siliciumskiven ved hjælp af vakuumfordampning, sputteraflejring eller kemisk dampaflejring.

Mønstring: Dette er den egentlige litografiske proces, hvor masken påføres for at forhindre, at metallaget fjernes fra udvalgte områder i det efterfølgende ætsningstrin. Almindelige mønsterprocesser omfatter fotolitografi, elektronstrålelitografi og nano-imprint-litografi. Metal mellem hullerne i masken fordampes af en laser- eller elektronstråle.

Ætsning: Kemisk fjernelse af materialelag. Kemisk vådætsning bruger reaktive væsker som syrer, baser og opløsningsmidler, mens tørætsning bruger reaktive gasser. Tør ætsning omfatter reaktiv ion ætsning og ledende koblet plasma ætsning. Her styrer automatiseret udstyr processens varighed og hastighed - nøglen til at holde spånens egenskaber inden for tolerancerne.

Ion-implantation: Når gitteret af elektriske forbindelser er blevet skabt på en siliciumskive, skal der skabes individuelle transistorer ved overgangene ved at dope silikonen for at skabe NPN- eller PNP-overgange. Dette opnår man ved at rette ionstråler, der består af dopingelementerne, mod overgangene. De accelererede ionstrålers meget høje hastighed får dem til at trænge igennem materialet og indlejre sig i siliciumskivens krystalgitter. De mønstre, der skabes under litografi-processen, bruges til præcist at styre ion-implantationsprocessen.

Brug af automatisering til at levere halvlederkvalitet

En stor del af den amerikanske halvlederindustri producerer i øjeblikket fabrikationsudstyr i stedet for selv at fremstille halvledere. Dette udstyr anvender mere konventionelle mekaniske og elektroniske automatiseringsteknologier til fremstilling. For eksempel:

• Litografiudstyret er fremstillet af Applied Materials og ASML.
• Udstyr til kemisk dampaflejring er fremstillet af Lam Research og Applied Materials.
• Plasmaætsningsudstyr fremstilles af Lam Research, Applied Materials og Plasma-Therm.
• Ion-implantationsudstyr fremstilles af Axcelis Technologies og Varian Semiconductor Equipment Associates.

Selvom USA i øjeblikket importerer størstedelen af sine halvledermængder, udføres alle faser af fremstillingen til en vis grad i USA. Dette omfatter både wafer- og chipfremstilling hos Intel, GlobalFoundries, Texas Instruments og andre.

Processer til aflejring af tyndfilm, litografisk mønsterdannelse, kemisk ætsning og ionimplantation til chipfremstilling er i sig selv skalerbare. De gør det muligt at skabe millioner af individuelle junctions på samme tid. Producenterne øger derfor automatiseringsniveauet til dels for at forbedre produktiviteten - men oftere nu om dage for at forbedre kvaliteten.

Automatisering er også forbundet med kemikalie-, chip- og wafer-håndtering samt brugen af renrumsrobotter produceret af producenter som KUKA Robotics. Sidstnævnte spiller en vigtig rolle i at reducere tab forårsaget af menneskelige fejl.

Figur 8: Samarbejdende robotter kører på systemer med syvende akse for at håndtere siliciumskiver (40 µm tykke og op til 300 mm i diameter), mens de bevæger sig gennem op til 1.200 trin for at blive forvandlet til chips. (Billedkilde: KUKA Robotics)

Men i halvlederproduktion handler automatisering ofte mere om behandling af data og automatisering af de deraf følgende beslutninger. Fabrikkerne bruger automatiserede algoritmer til avanceret proceskontrol eller APC samt statistisk proceskontrol eller SPC. Disse sporer procesvariationer og deraf følgende produktionsfejl, der kan reduceres via realtidskontrol af produktionsprocesser. Sådanne systemer kan anvende kunstig intelligens og maskinlæring til at identificere mønstre i meget store datasæt, der sporer mange procesparametre og kvalitetsmålinger.

Tankeledelsen hos Siemens definerer APC som omfattende forskellige metoder til at reducere variationen i kontrolvariabler, herunder fuzzy-kontrol, modelprædikativ kontrol, modelbaseret kontrol, statistisk model og neurale netværk. Sådanne Industri 4.0-teknologier implementeres ofte via integrerede økosystemer som dem, der tilbydes af Siemens eller Schneider Electrics EcoStruxure (for at give to eksempler) til halvlederindustrien. Procesvariabler kan kombineres med overvågning af maskinens tilstand til forudsigelig vedligeholdelse, der reducerer rutinemæssig vedligeholdelse af produktionsmaskiner og samtidig undgår nedetid.

Konklusion

Når USA skal sikre konkurrenceevnen for den indenlandske produktion af strategisk vigtige halvledere, vil avanceret automatisering være afgørende. Renrumsrobotter, der udfører materialehåndtering, er den mest åbenlyse og synlige implementering af automatisering, men det er den automatiserede processtyring af de faktiske fremstillingsprocesser, hvor man opnår reelle konkurrencefordele. Fra at kontrollere miljøet for vækst af siliciumkrystaller til at sikre præcis doping ved junctions under ion-implantation afhænger den effektive og fejlfri produktion af nanoskala-IC'er af realtidskontrol af tusindvis af procesparametre.

I sidste ende vil det være avanceret proceskontrol, der involverer integration af IIoT-sensorer, AI-algoritmer og andre avancerede modelbaserede kontrolmetoder, der vil sikre den amerikanske halvlederindustris konkurrenceevne.