Slik kan automatisering hjelpe amerikanske produsenter med å skalere halvlederproduksjon

Halvledere er kjernen i all moderne elektronikk, strømdistribusjon og fornybar strømproduksjon. Halvlederprodukter spenner fra enkle frittstående komponenter som transistorer og dioder, til komplekse integrerte kretser, også kalt IC-er. Halvlederenheter er ofte kjernen i logiske porter som kombineres for å lage digitale kretser. De finnes også i oscillatorer, sensorer, analoge forsterkere, fotovoltaiske celler, lysdioder, lasere og strømomformere. Industriproduktkategorier omfatter minne, logikk, analoge IC-er, mikroprosessorer, frittstående effekthalvledere og sensorer.

Figur 1: Produksjonen av IC-er og andre halvlederprodukter krever spesialutstyr. (Bildekilde: Getty Images)

Til tross for den kritiske karakteren til halvledere, er en stor del av verden avhengig av ikke-diversifiserte, og derfor sårbare globale forsyningskjeder. Dette skyldes svært betydelige stordriftsfordeler som gjør kraftig konsolidert produksjon mer økonomisk konkurransedyktig. Produksjonsanlegg for halvledere koster tross alt milliarder å bygge og trenger svært dyktige arbeidere.

Figur 2: Lineære motorer, drivremmer og lineære profilskinneføringer i miniatyr, er bare noe av presisjonsutstyret i maskiner som behandler halvledere. (Bildekilde: Getty Images)

De fleste fabrikker (støperier) ligger i Taiwan, Japan, Kina, USA og Tyskland, og har vært i drift i flere tiår. Mer enn halvparten av alle halvledere og mer enn 90 % av alle avanserte halvledere er imidlertid laget i Taiwan, der alle store elektronikkprodusenter bruker minst ett taiwansk halvlederproduksjonsanlegg for minst deler av halvlederproduksjonen. Nylige geopolitiske spenninger har brakt farene forbundet med en slik avhengighet i fokus. 2022 CHIPS (Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors) og Science Act tar sikte på å løse dette problemet ved å motivere operatører og automasjonsleverandører til å etablere og utvide amerikansk halvlederproduksjon.

Tilstanden til halvlederproduksjon

De fleste materialer er enten gode ledere av elektrisitet, for eksempel metaller, eller isolatorer, for eksempel glass. Halvledere har elektrisk ledningsevne mellom lederne og isolatorene, og denne ledningsevnen justeres ved å introdusere urenheter i krystallstrukturen via en prosess som kalles doping. Doping med et elektron-donorelement gir en negativ ladning for en halvleder av n-typen. Vekselvis vil doping med et elektron-mottakerelement danne hull med positiv ladning for en halvleder av p-typen. To tilstøtende, men forskjellig dopede områder i én enkel krystall danner et P-N-grenseskikt i halvlederen. Transistorer kan være anordnet med NPN- eller PNP-grenseskikt.

Silisium er det vanligste halvledermaterialet, med stor margin. Vanlige dopemidler av n-typen er fosfor og arsen, mens vanlige dopemidler av p-typen er bor og gallium.

Figur 3: Den seksaksede roboten i denne Jabil Precision Automation Solutions-maskinen utfører oppgaver knyttet til automatisert trådkorssortering (reticle sorting) uten å kompromittere de inneholdte renromsomgivelsene. (Bildekilde: Omron Automation Americas)

Den mest avanserte halvlederproduksjonen produserer produkter med nanoskalaegenskaper på mellom 1 og 100 nm. Siden én nanometer er en milliarddels av én meter og avstanden mellom individuelle atomer i et fast stoff er mellom 0,1 og 0,4 nm, har moderne halvleder-nanostrukturer nærmet seg grensen for hvor små materialstrukturer kan være. Den ekstreme presisjonen som er involvert i produksjonen av slike produkter, krever prosesser som utføres i renromsomgivelser og er beskyttet mot vibrasjoner fra seismisk aktivitet, lokale fly, tog, trafikk og nærliggende maskiner.

De viktigste prosessene i IC-produksjon er silisiumskiveproduksjon, litografi og selektiv doping – oftest ved hjelp av ioneimplantasjon. Mange fabrikker spesialiserer seg på enten silisiumskiveproduksjon eller den påfølgende brikkeproduksjonen som involverer fotolitografi og doping. Taiwan Semiconductor (TSMC) produserer både silisiumskiver og brikker. Det er den eneste fabrikken som produserer avanserte brikker på 5 nm og 3 nm. Noen halvlederprodusenter, som Intel og Texas Instruments, har sine egne fabrikker (fab), og de er avhengige av TSMC for de mest avanserte brikkene. Mange fabrikkfrie (fabless) produsenter (inkludert Apple, ARM og Nvidia) er imidlertid fullstendig avhengige av TSMC for halvlederproduksjonen sin.

Figur 4: GlobalFoundries startet nylig en investering på én milliard dollar for å gjøre det mulig for sitt eksisterende anlegg i staten New York å produsere ytterligere 150 000 silisiumskiver per år. Denne økte kapasiteten har som mål å tilfredsstille etterspørselen etter funksjonsrike brikker for bil-, 5G- og IoT-utrustninger. Anlegget vil også støtte nasjonale sikkerhetskrav for å oppnå en sikker forsyningskjede. (Bildekilde: GlobalFoundries)

Selv om AMD teknisk sett er fabrikkfrie, er de ikke avhengige av TSMC, og de produserte tidligere sine egne brikker. AMD forgrente (spin-off) produksjonsvirksomheten og ga den navnet GlobalFoundries, der sistnevnte driver fabrikker i USA, Europa og Singapore. Fabrikken i New York produserte historisk sett brikker ned til 14 nm. Brikker på 4 nm kommer snart og deretter brikker på 3 nm.

Vi ser på spesifikke prosesser for brikkeproduksjon

En stor del av halvlederproduksjon benytter skalerbare prosesser med høyt utbytte, som muliggjør opprettelse av millioner av individuelle egenskaper (til og med nanoskala-egenskaper) i ett enkelt trinn. Ta i betraktning noen av de spesifikke detaljene.

Fremstilling av silisiumskiver (silisium wafer): Polykrystallinske silisiumklumper smeltes i en delvis evakuert argonatmosfære og trekkes deretter ved hjelp av en krystallkime for å la en enkel krystallsilisiumklump vokse – en sylinder med hode- og halekjegler dannes når prosessen startes og stoppes. En viss ensartet doping kan på dette stadiet tilsettes silisiumet.

Figur 5: Her vises flere krystallsilisiumklumper og skivene som kan skjæres fra disse. Kjegler er fortsatt til stede på klumpene etter trekking (pulling) og før sliping. (Bildekilde: Getty Images)

Deretter males støpeblokken til en blokk med en nøyaktig diameter, og et hakk legges til for å indikere krystallorienteringen. Blokken blir deretter skåret i skiver ved hjelp av en trådsag; skiver blir avfaset og rundet ved hjelp av diamantslipeverktøy; og deretter blir overflatefinishen raffinert med kjemisk etsing, varmebehandling, polering og rengjøring med ultrarent vann og kjemikalier. Silisiumskiver inspiseres for flathet og partikkelfri renslighet før de pakkes.

Figur 6: Selv tilsynelatende kjente rengjøringsprodukter tar nye former når de er beregnet for bruk i renromsomgivelser. (Bildekilde: ACL Staticide Inc.)

Litografi: Elektroniske kretser produseres ved å først avsette en tynn ledende metallfilm på et halvledersubstrat og deretter bruke litografi til å trykke en maske for mønstrene til kretsen, for så å etse bort det gjenværende ledende laget. Disse metodene ble opprinnelig utviklet for større trykte kretser, men de brukes nå for nanoskala-produksjon av IC-er. Metallfinner blir trykt i et rutenettmønster, der brikker med finner, som produseres med 5-nm-prosesser, anbringes med en pinneavstand på ca. 20 nm. Automatiserte systemer for denne bestemte prosessen bruker ofte direktekoblede teknologier, samt stabiliseringsinnfatninger og programvare, og til og med luftlagre.

Figur 7: Nanoskalastrukturer kan undersøkes via elektronmikroskoper og via skannende tunnelmikroskoper. Fotomaske-reparasjonsutstyr, som det som er vist her, automatiserer defektdeteksjon og reparasjonsverifisering for å akselerere gjennomstrømning. Atomkraftmikroskopi muliggjør deteksjon og reparasjon av defekter og fremmede partikler med nanometer-nøyaktighet og presisjon på angstrom-nivå. (Bildekilde: Park Systems)

Avsetning av tynnfilmmateriale: I denne prosessen avsettes metallisk materiale på silisiumskiven ved å bruke vakuumfordampning, katodeforstøvning eller CVD-teknikk (CVD – chemical vapour deposition).

Mønstring: Dette er den faktiske litografiprosessen hvor masken påføres for å forhindre at metallaget fjernes fra utvalgte områder i det etterfølgende etsetrinnet. Vanlige mønstringsprosesser inkluderer fotolitografi, elektronstrålelitografi og nanoavtrykklitografi. Metall mellom spaltene i masken fordampes av en laser eller elektronstråle.

Etsing: Den kjemiske fjerningen av materiallag. Kjemisk våtetsing bruker reaktive væsker som syrer, baser og løsemidler, mens tørretsing bruker reaktive gasser. Tørretsing omfatter reaktiv ioneetsing og plasmaetsing som er ledende koblet. Her vil automatisert utstyr styre prosessvarigheten og hastigheten – som er viktig for å holde brikkefunksjonene innenfor definerte toleranser.

Ioneimplantasjon: Når rutenettet av elektriske forbindelser er opprettet på en silisiumskive, må individuelle transistorer opprettes ved grenseskiktene ved å dope silisiumet for å lage NPN- eller PNP-grenseskikt. Dette oppnås ved å dirigere ionestråler sammensatt av de dopede elementene ved grenseskiktene. Den svært høye hastigheten til akselererte ionestråler fører til at de trenger inn i materialet og integrerer seg i silisiumskivens krystallrutenett. Mønstrene som skapes under litografiprosessen brukes til å nøyaktig veilede ioneimplantasjonsprosessen.

Bruke automatisering til å levere halvledere med god kvalitet

En stor del av den amerikanske halvlederindustrien produserer for tiden produksjonsutstyr i stedet for å faktisk produsere selve halvlederne. Dette utstyret bruker mer konvensjonelle mekaniske og elektroniske teknologier for produksjonsautomatisering. For eksempel:

• Litografiutstyr er laget av Applied Materials og ASML.
• Avsetningsutstyr for kjemisk damp er laget av Lam Research og Applied Materials.
• Plasma-etseutstyr er laget av Lam Research, Applied Materials og Plasma-Therm.
• Ioneimplantasjonsutstyr er laget av Axcelis Technologies og Varian Semiconductor Equipment Associates.

Selv om USA for tiden importerer mesteparten av sitt halvledervolum, utføres alle trinn av produksjonen til en viss grad i USA. Dette inkluderer både silisiumskive- og brikkeproduksjon fra Intel, GlobalFoundries, Texas Instruments og andre.

Prosesser for tynnfilmmaterialavsetning, litografisk mønstring, kjemisk etsing og ioneimplantasjon for brikkeproduksjon, er i seg selv skalerbare. De muliggjør opprettelse av millioner av individuelle grenseskikt samtidig. Produsenter øker derfor automasjonsnivået delvis for å forbedre produktiviteten – men oftere i disse dager, for å forbedre kvaliteten.

Automatisering er også forbundet med prosesser forbundet med kjemi, brikker og silisiumskivehåndtering, samt bruken av renromsroboter produsert av produsenter som KUKA Robotics. Sistnevnte spiller en viktig rolle når det gjelder å redusere tap forårsaket av menneskelige feil.

Figur 8: Samarbeidsroboter er montert på syvaksede systemer for å håndtere silisiumskiver (40 µm tykke og opptil 300 mm i diameter) mens de går gjennom de opptil 1200 trinnene som skal til for å lage de endelige brikkene. (Bildekilde: KUKA Robotics)

I halvlederproduksjon handler imidlertid automatisering ofte mer om behandling av data og automatisering av resulterende beslutninger. Fabrikker bruker automatiserte algoritmer for avansert prosesstyring, også kalt APC (advanced process control), samt statistisk prosessstyring, også kalt SPC (statistical process control). Disse sporer prosessvariasjonene og de resulterende produksjonsfeilene som skal reduseres via sanntidsstyring over produksjonsprosesser. Slike systemer kan anvende kunstig intelligens og maskinlæring til å identifisere mønstre i svært store datasett som sporer mange prosessparametere og kvalitetsmålinger.

Tankelederskapet hos Siemens definerer APC som å omfatte ulike metoder for å redusere variasjon i kontrollvariabler – inkludert uklar styring, modellpredikativ styring, modellbasert styring, statistisk modell og nevrale nettverk. Slike Industri 4.0-teknologier implementeres ofte via integrerte økosystemer, som de som tilbys av Siemens eller Schneider Electric sin EcoStruxure (for å gi to eksempler) for halvlederindustrien. Prosessvariabler kan kombineres med overvåking av maskintilstand for forebyggende vedlikehold som reduserer rutinemessig vedlikehold av produksjonsmaskiner, samtidig som nedetid unngås.

Konklusjon

Etter hvert som USA jobber for å sikre konkurranseevnen til innenlandsk produksjon for strategisk kritiske halvledere, vil toppmoderne automatisering være avgjørende. Renromsroboter som utfører materialhåndtering er den mest åpenbare og synlige implementeringen av automatisering, men det er i den automatiserte prosesstyringen til de faktiske produksjonsprosessene vi ser at reelle konkurransefortrinn oppnås. Den effektive og feilfrie produksjonen av nanoskala IC-er avhenger av sanntidsstyring av tusenvis av prosessparametere – fra å kontrollere miljøet for silisiumkrystallvekst til å sikre nøyaktig doping ved grenseskiktet under ioneimplantasjon.

Til syvende og sist vil det være avansert prosesstyring, som involverer integrering av IIoT-sensorer, AI-algoritmer og andre avanserte modellbaserte styringsmetoder, som vil sikre konkurranseevnen til den amerikanske halvlederindustrien.