Вопросы и ответы. Полупроводниковое производство — вчера, сегодня, завтра

Полупроводниковое производство — вчера, сегодня, завтра Вопросы и ответы с отраслевым консультантом Карлом Уайтом (Carl White)

23 июня 2020 г.

Закон Мура, впервые предложенный сооснователем компании Intel Гордоном Муром (Gordon E. Moore) в 1965 году, предполагает удвоение числа транзисторов на интегральной микросхеме (или кристалле) каждые два года и одновременное сокращение вдвое вычислительных затрат, ведущие к экспоненциальному росту вычислительной мощности. Полупроводниковая отрасль до сих пор старалась соответствовать параметрам такого роста, однако размещать все больше вычислительной мощности на постоянно уменьшающейся площади не так просто, особенно когда конкуренты не отстают, а спрос на новые технологии на потребительском рынке сохраняется на прежнем уровне.

Во многом благодаря закону Мура, ностальгическая цитата из «Лучшего стрелка» — «Я чувствую жажду — жажду скорости!» — прекрасно описывает повседневную ситуацию в полупроводниковой отрасли . Этот и многие другие выводы мы сделали по итогам недавней беседы с ветераном отрасли Карлом Уайтом, главным инженером-консультантом C.L. White Engineering Services, LLC. Благодаря почти 40-летнему опыту работы на различных предприятиях, относящихся к цепи поставок в полупроводниковой отрасли, Карл прекрасно знаком с этой непрекращающейся гонкой за скоростью, причем как разработки, так и вычислений. В этом интервью вы узнаете, что раньше требовалось для ускорения инноваций в соответствии с законом Мура, с какими трудностями полупроводниковая отрасль сталкивается сейчас и чего можно ожидать от нее в ближайшем будущем.

Справочно-информационный ресурс Swagelok (СИР): Спасибо, что пришли, Карл. Не могли бы Вы рассказать немного о начале своей карьеры?

Карл Уайт: Я родился в Аризоне, поэтому изучал управление в сфере промышленных технологий и машиностроение в университете штата, после чего в 1982 году пришел в компанию ASM, являвшуюся OEM-производителем технологического оборудования для микроэлектроники. Затем я работал в компании Spectrum CVD, которая тогда входила в состав Motorola; в компании Materials Research Corporation, которую в итоге купила Sony; в компании Tokyo Electron, она же TEL; и, наконец, в компании Applied Materials. За всю карьеру я 28 лет провел в среде OEM-производителей, а остальные 10 — в подразделении полупроводниковых продуктов компании Motorola, которое выпускало микросхемы. Последние 15 лет я работал над технологией атомно-слоевого осаждения (ALD) в компании ASM, пока в прошлом году не ушел на пенсию. Сейчас я консультирую различные компании в отрасли.

СИР: Вам наверняка есть что рассказать благодаря широкому опыту работы как с OEM-оборудованием, так и на производстве микросхем. Что подтолкнуло Вас выбрать именно такой карьерный путь?

Уайт: Отрасль очень динамичная. Постоянно меняются технологии, и если вы хотите в ней работать, нужно постоянно учиться и изобретать что-то новое. Скучать просто некогда! Кроме того, я был рад видеть, как схемы, в разработке которых я участвовал, меняли мир, ведь полупроводниковые технологии используются практически во всех отраслях.

СИР: По Вашим наблюдениям, какие мета-тренды заставляли полупроводниковую отрасль развиваться?

Уайт: На ранних этапах —космическая программа. Позже — потребительская техника. В работе мы перешли от логарифмических линеек к портативным калькуляторам, потом от персональных компьютеров к смартфонам. Это стало возможным благодаря эволюции полупроводниковых технологий. Сегодня к переменам ведут появление ИИ и беспилотных автомобилей. Единственный фактор, за все время оставшийся неизменным, — необходимость ускорения производства продукции и передачи информации. Для удовлетворения растущего спроса на вычислительную мощность постоянно нужны новые полупроводниковые технологии.

Еще одним фактором является соперничество за лидирующее положение в инновациях. Оно существует не только среди компаний, но и на международной арене. В разное время разные страны были впереди в разработке полупроводниковых технологий, и эти динамичные перемены иногда укрепляли сотрудничество в масштабах отрасли. Например, в 1987 году 14 полупроводниковых компаний в США объединили силы с правительством страны и основали консорциум в сфере производства микросхем SEMATECH для того, что бы повысить качество производимой ими продукции и, как следствие, конкурентоспособность на мировом рынке. Это способствовало развитию полупроводниковой отрасли в США. До того многие компании пытались заниматься сразу всем: разработкой, производством и продажей микросхем. Но теперь они начали специализироваться — появились фабрики, производящие микросхемы по заказу других компаний, что также помогло оптимизировать развитие отрасли.

СИР: Как Вы рассматриваете зависимость между плотностью размещения транзисторов и развитием полупроводниковых технологий и соответствующих электронных устройств? Как она отразилась на том, какое оборудование и компоненты нужны для производства микросхем?

Уайт: Для соответствия закону Мура постоянно необходима миниатюризация. Чтобы уместить больше транзисторов на схеме, их нужно уменьшить. По ходу изменения производственного процесса необходимо менять оборудование. Один из переломных моментов случился в конце 1990-х — начале 2000-х, когда отрасль перешла с кремниевых пластин диаметром 200 мм на 300 мм при производстве микросхем и нужно было существенно менять производство и оборудование. Разработка затвора с высокой диэлектрической проницаемостью (технология high-K) для транзисторов с плотностью размещения 45 нм обеспечила снижение токов утечки и стала еще одним большим достижением на пути отрасли к миниатюризации. Мне повезло участвовать в разработке оборудования, которое компания Intel использовала для производства таких устройств, и было интересно наблюдать за этими переменами. Для сравнения, сегодня компании уже производят микросхемы по техпроцессу 5 нм.

В целом, по нашим наблюдениям, компании каждые 18 месяцев старались переходить на техпроцесс с большей плотностью размещения элементов, то есть производить полупроводниковые устройства меньшего размера, чтобы сделать транзисторы меньше, быстрее и экономичнее в плане энергопотребления. Эти сроки короче предсказанных законом Мура (переход каждые два года), поскольку этого требует конкуренция.

Производители полупроводниковых устройств сообщают производителям оборудования, чего они хотят достичь в плане характеристик микросхем и какие для этого нужны производственные процессы. OEM-производители начинают работу над оборудованием, которое бы обеспечило требуемые характеристики, и в процессе работы вместе с такими компаниями, как Swagelok, находят уже имеющиеся на рынке изделия или общими силами изготавливают новые компоненты. Такое сотрудничество просто необходимо, если производители полупроводников хотят угнаться за инновациями, поскольку OEM-производители оборудования получают нужные сегодня компоненты, а производители компонентов могут предвидеть потребности отрасли в будущем.

СИР: Инновации в полупроводниках — это следствие рыночного спроса на конкретные типы электронных устройств или они, наоборот, формируют спрос?

Уайт: Возможны оба варианта. Иногда необходимость в постоянном развитии полупроводниковых технологий может приводить к прорывам еще до того, как рынок поймет, что делать с новой технологией. Например, в 1990-х быстро росла вычислительная мощность, но не хватало знаний и навыков в области программного обеспечения, которое бы использовало их в полную силу, поэтому программное развитие отставало от аппаратного. В других случаях может возникнуть потребность расширить возможности существующих приложений — это происходит сегодня в сфере приложений обработки данных и ИИ.

В целом, мы наблюдали три эпохи спроса. Эпоха с 1960-х по 1980-е была посвящена совершенствованию компьютеров и калькуляторов. На микросхеме располагались тысячи транзисторов. С 1980-х акцент начал смещаться на мобильные технологии, то есть ноутбуки и мобильные телефоны. На этом этапе на микросхеме были миллионы транзисторов. В последнее десятилетие спрос создают сферы передачи и хранения данных, и мы создаем технологии с прицелом на связь (благодаря развитию Интернета вещей и необходимости в смарт-устройствах для круглосуточного общения) и данные (благодаря большим данным и машинному обучению).

СИР: Как постоянная потребность в уменьшении размеров и увеличении мощности микросхем повлияла на требования к компонентам жидкостных и газовых систем, используемых в полупроводниковом производстве?

Уайт: Изменение геометрии полупроводниковых микросхем с течением времени требовало применения в производственном процессе других изделий для жидкостных и газовых систем. В процессе производства очень важно избегать загрязнений, особенно с уменьшением размера транзисторов, ведь они могут снизить выход годных изделий и надежность микросхемы. Обязательно нужно защитить процессы и компоненты от неконтролируемого загрязнения. Поэтому отрасль перешла от сильфонных клапанов (с более долгим сроком службы) к мембранным клапанам (они обычно чище), где меньше тупиковых участков и движущихся частей, а также ниже объем проходящего газа.

Недавно выпущенный компанией Swagelok^® клапан ALD20 имеет преимущество в высоком расходе, характерное для сильфонных клапанов, но также обеспечивает сверхвысокую степень чистоты (UHP), необходимую в современном полупроводниковом производстве. Этого удалось достичь в том числе благодаря текущему уровню развития производственных методов и появлению современных материалов, например высококачественной стали VIM-VAR и коррозионностойких сплавов. Кроме того, теперь доступны более совершенные методы обработки поверхности, например электрополировка и пассивирование, и стандарты испытаний до выпуска изделия на рынок. Мне приходилось сталкиваться с ситуацией, когда компания спешит выпустить технологию, но не обеспечивает качество компонентов, из-за чего у нас возникали проблемы. Важно знать, что изделие будет работать в полупроводниковой среде без доработки, как было заявлено, и совершенно необходимо быть уверенным в стабильности качества и стабильности характеристик компонентов.

СИР: Мы уже задавали похожий вопрос: всегда ли меняющиеся технологии производства клапанов позволяют организовать новые процессы производства микросхем или наоборот, развитие полупроводникового производства подстегивает инновации в жидкостных и газовых системах?

Уайт: Определенно, перемены в полупроводниковых производственных процессах повлияли на наши требования к клапанам сверхвысокой степени чистоты и другим компонентам жидкостных и газовых систем. При производстве полупроводниковых микросхем в рабочей камере на кремниевую монокристаллическую пластину осаждаются различные слои с высокой равномерностью, что достигается путем введения в рабочую камеру газов-прекурсоров по строго определенному алгоритму и в строго определенном количестве. Все чаще мы берем жидкие и твердые химические прекурсоры, сублимируем их с помощью высокой температуры и хорошо управляемого процесса, а затем посредством клапанов сверхвысокой степени чистоты наносим их на пластины. Часто такие вещества бывают нестабильными и обладают едкими, коррозийными свойствами, что затрудняет эффективную работу с ними.

Нередко мы применяем процессы атомно-слоевого осаждения (ALD) и атомно-слоевого травления (ALE), поскольку процессы осаждения из газовой фазы (CVD) и используемые в нем прекурсоры невозможно контролировать с эффективностью, необходимой для производства микросхем с настолько малым размером транзисторов. Именно такие перемены в производственных и химических процессах, например когда в 1990-е отрасль перешла от алюминиевых кабелей к медным из-за большей проводимости, обуславливают потребность в новых компонентах.

OEM-производители оборудования давно поняли, что низкий выход годных при производстве микросхем часто связан с недостатками не в оборудовании, а в процессе. С чем только отрасль ни сталкивалась — с высокой влажностью, контактом реагентов с атмосферной средой, формированием осадка в клапанах и последующим нарушением их герметичности. По мере нашего развития мы научились контролировать сложные технологические процессы, зачастую благодаря современным компонентам и конструкциям жидкостных и газовых систем. Это понимание положительно сказалось на результатах, но оно также повлияло на процессы производства микросхем и требования к характеристикам компонентов.

СИР: Мы обсудили историю развития полупроводникового производства, а с какими трудностями отрасль сталкивается сегодня и как они сказываются на требованиях к компонентам жидкостных и газовых систем?

Уайт: Для достижения следующего уровня в производстве микросхем нам нужны надежный контроль за продукцией, воспроизводимость характеристик и стабильное качество изготовления клапанов. В полупроводниковом оборудовании используется большое число клапанов сверхвысокой степени чистоты, поэтому трудно обеспечить полное совпадение характеристик каждого из них, но такая стабильность качества необходима. Качество должно быть не просто высоким, но одинаково высоким у каждого клапана.

Кроме того, имеют значение перепады температур. Нужна стабильность характеристик при высоких температурах и высоком расходе. Сейчас расширяется производство полупроводниковых микросхем памяти типа 3D NAND, при котором больший объем материала располагается слоями в более глубоких щелях на схеме, транзисторы накладываются друг на друга, поэтому чтобы выполнить покрытие эффективно, требуется нанести на пластину больше прекурсора — возможно, в 200 раз больше. Допуски постоянно сокращаются, а значит разброс характеристик должен быть все меньше.

«Для достижения следующего уровня в производстве микросхем нам нужны надежный контроль за продукцией, воспроизводимость характеристик и стабильное качество изготовления клапанов».

СИР: Кроме прецизионного дозирования, температурной стабильности и расхода, что еще отрасль хотела бы видеть в клапанах со сверхвысокой степенью чистоты, чтобы не отставать от закона Мура?

Уайт: Нельзя еще забывать о высокой чистоте и коррозионной стойкости. Нужно уделять внимание материаловедению. Например, в сильфоне клапана ALD20 используется сплав 22 (Hastelloy^® C22), потому что этот материал может выдерживать контакт с высококоррозийными веществами. Это замечательный материал, но он подходит не для всех процессов. Для работы с некоторыми веществами может потребоваться специальное покрытие, поскольку топологические размеры все уменьшаются и используются все более агрессивные газы. Разработка такого покрытия может отнять много усилий и средств, но у нас в процессах допуски на коррозию постоянно уменьшаются.

Узнайте больше о курсе Swagelok по материаловедению

Поэтому очень важно, чтобы поставщики решений для жидкостных и газовых систем тесно взаимодействовали с производителями оборудования и полупроводников при разработке новой продукции. Несколько десятилетий назад, когда компания Swagelok представила первые клапаны ALD, совместная работа была важным фактором, а сейчас она тем более важна. Иногда нужно работать с OEM-производителями оборудования, но поскольку требования к их продукции определяют производители полупроводниковых микросхем, взаимодействие с последними также необходимо. Главное здесь — вместе решать задачи и определять наиболее рациональные подходы с учетом циклов разработки компаний-участников. Именно такое объединение усилий сделает возможными технологии завтрашнего дня.

СИР: Как выглядела работа с поставщиками на Ваших предприятиях? Вы сами участвовали в ней?

Уайт: В начале карьеры, в компании ASM, я работал со Swagelok над разработкой мембранного клапана Swagelok^® серии DH со сверхвысокой степенью чистоты. Нам нужно было, чтобы клапан работал в вакууме при 220 °C и был меньше имеющихся тогда на рынке изделий, чтобы можно было уместить больше клапанов в небольшом пространстве и улучшить характеристики нашего ALD-оборудования. Я сотрудничал с подразделением Swagelok Southwest и главным инженерным отделом Swagelok, проводя испытания различных вариантов исполнения, и в итоге мы получили отличное решение. Это был мембранный клапан с двумя поршнями, новой смазкой для исключения попадания загрязнений в вакуумную камеру, стойкостью к чрезвычайно высоким температурам и сроком службы более 10 млн циклов.

Также помогало то обстоятельство, что сотрудники Swagelok работали открыто и передавали нам протоколы и данные испытаний по ходу сотрудничества. С другими производителями так происходит не всегда. Как это всегда бывает в совместных проектах, важный фактор — человеческий. Нужно работать с теми, кто умеет сделать сотрудничество наименее стрессовым, и мои партнеры по этому проекту оказались отличными специалистами. По ходу карьеры я искал контакты прежде всего с компаниями, которые стремятся обеспечить выгоду не только себе, но и заказчику. В мире есть немало компаний обоих типов, и я всегда старался выбирать с умом.

СИР: Что ждет полупроводниковую отрасль дальше? Какие трудности предстоит преодолеть и чего можно ожидать в ближайшем будущем?

Уайт: Одна из трудностей заключается в том, чтобы удовлетворять растущие потребности. Теперь, когда размер функциональных узлов у нас составляет 7 или 5 нм, куда нам двигаться дальше? Существуют ли материалы и производственные возможности для дальнейшего совершенствования технологии миниатюризации? Формирование многоуровневой структуры памяти 3D NAND является одним из возможных решений. Теперь можно накладывать больше полупроводниковых слоев друг на друга, что позволяет увеличить количество транзисторов, размещаемых на одном участке, в три раза по сравнению с традиционным способом. Для этого ведется работа над новыми технологиями, например технологией селективного осаждения, позволяющей выполнять осаждение только на определенном участке пластины, а не на всей поверхности.

Также меняются и материалы. В отрасли вместо кремния в качестве основы для пластин рассматривают карбид кремния. Кремний распространен и недорог, поэтому он широко применялся, но, как мы видим, с уменьшением размера транзисторов снова находят применение другие материалы, такие как германий. Исследовались другие перспективные материалы, но из-за особенностей производственных процессов или требований к полупроводниковым микросхемам использование этих дорогостоящих специализированных материалов было экономически нерентабельным. Теперь они могут нам понадобиться.

Изменить придется не только материалы пластин, но и процессы: что осаждается, как проводится травление и т. д. Используются новейшие методы, например фотолитография в глубоком ультрафиолете (EUV), но когда мы начнем работать с транзисторами размером менее 5–3 нм, они могут оказаться неприменимыми. При уменьшении размера затраты многократно увеличиваются, поэтому, возможно, лишь специализированные поставщики будут пытаться придерживаться закона Мура, так как процесс становится слишком затратным.

СИР: Спасибо за то, что рассказали о перспективах, Карл. Можете сказать что-нибудь в заключение для специалистов в сфере полупроводников, которые сегодня занимаются тем, чем Вы занимались в прошлом?

Уайт: С уверенностью можно сказать, что в отрасли будет наблюдаться прогресс, даже если пока не всегда очевидно, как именно все будет происходить. Чтобы достичь цели, нужны прочные взаимоотношения и сотрудничество.

Когда вам необходимо что-то особое, не всегда можно просто купить нужный продукт; иногда приходится работать с партнерами, чтобы разработать решение нового поколения. В таком случае ищите компании, обладающие технологическими возможностями и готовые сотрудничать, которые помогут вам достичь цели. Вам понадобятся партнеры, учитывающие ваши потребности, которые никогда не обещают то, чего не могут выполнить, и которые не будут стараться удовлетворить вас в ущерб качеству. При быстром продвижении вперед такой риск существует для многих компаний, поэтому учитесь, кому можно доверять. Налаживание отношений — это лучшее, что можно сделать для достижения результатов.

«…ищите компании, обладающие технологическими возможностями и готовые сотрудничать, которые помогут вам достичь цели. Вам понадобятся партнеры, учитывающие ваши потребности…»

СИР: Спасибо, Карл! Благодарим Вас за то, что Вы нашли время поделиться с нами своими знаниями.

Уайт: Пожалуйста. Рад был помочь.

Узнайте подробнее, как компания Swagelok сотрудничает с производителями полупроводников