Hoe automatisering de Amerikaanse fabrikanten helpt de productie van halfgeleiders op te schalen

Halfgeleiders vormen de kern van alle moderne elektronica, stroomdistributie en duurzame energieopwekking. Halfgeleiderproducten variëren van eenvoudige discrete componenten zoals transistors en diodes tot complexe geïntegreerde schakelingen of IC's. Halfgeleiders vormen vaak de kern van logische poorten die samen digitale schakelingen vormen. Ze zitten ook in oscillators, sensors, analoge versterkers, fotovoltaïsche cellen, LED's, lasers en vermogenconvertors. De industriële productcategorieën omvatten geheugen, logica, analoge IC's, microprocessors, discrete stroomapparaten en sensors.

Afbeelding 1: Voor de productie van geïntegreerde schakelingen en andere halfgeleiderproducten is speciale apparatuur nodig. (Bron afbeelding: Getty Images)

Ondanks het kritieke karakter van halfgeleiders is een groot deel van de wereld afhankelijk van ongediversifieerde en dus kwetsbare mondiale toeleveringsketens. Dit is het gevolg van zeer aanzienlijke schaalvoordelen die een sterk geconsolideerde productie economisch concurrerender maken. Halfgeleiderfabrieken kosten immers miljarden om te bouwen en vereisen zeer hoog opgeleid personeel.

Afbeelding 2: Lineaire motors, riemaandrijvingen en miniatuur profielrail lineaire geleidingen zijn slechts enkele van de precisieapparatuur in machines voor de verwerking van halfgeleiders. (Bron afbeelding: Getty Images)

De meeste fabrieken (gieterijen) bevinden zich in Taiwan, Japan, China, de VS en Duitsland en zijn al tientallen jaren actief. Meer dan de helft van alle halfgeleiders en meer dan 90% van alle geavanceerde halfgeleiders worden echter in Taiwan gemaakt, waarbij alle grote elektronicafabrikanten voor ten minste een deel van hun halfgeleiderfabricage een Taiwanese fabriek gebruiken. Recente geopolitieke spanningen hebben de gevaren van een dergelijke afhankelijkheid scherp in beeld gebracht. De "Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors (CHIPS) and Science Act" van 2022 wil dit probleem aanpakken door exploitanten en automatiseringsleveranciers te stimuleren om de Amerikaanse halfgeleiderproductie op te zetten en uit te breiden.

De toestand van de halfgeleiderproductie

De meeste materialen zijn ofwel goede geleiders van elektriciteit, zoals metalen, ofwel isolatoren, zoals glas. Halfgeleiders hebben een elektrisch geleidingsvermogen dat ligt tussen dat van geleiders en isolatoren; dat geleidingsvermogen wordt aangepast door onzuiverheden in de kristalstructuur aan te brengen via een proces dat doping wordt genoemd. Doping met een elektronendonor-element geeft een negatieve lading aan een n-type halfgeleider. Omgekeerd creëert doping met een elektronenacceptor-element gaten met een positieve lading voor een p-type halfgeleider. Twee aangrenzende maar verschillend gedoteerde gebieden binnen een enkel kristal vormen een halfgeleider p-n splitsing. Transistors kunnen worden uitgerust met NPN- of PNP-verbindingen.

Silicium is verreweg het meest voorkomende halfgeleidermateriaal. Gangbare n-type doteermiddelen zijn fosfor en arseen, terwijl gangbare p-type doteermiddelen boor en gallium zijn.

Afbeelding 3: De zesassige robot in deze machine van Jabil Precision Automation Solutions voert taken uit met betrekking tot het automatisch sorteren van draden zonder de gesloten cleanroom omgeving in gevaar te brengen. (Afbeelding Bron: Omron Automation Americas)

De meest geavanceerde halfgeleiderfabricage produceert producten met kenmerken op nanoschaal tussen 1 en 100 nm. Aangezien een nanometer een miljardste van een meter is en de afstand tussen afzonderlijke atomen in een vaste stof tussen 0,1 en 0,4 nm bedraagt, hebben moderne halfgeleider nanostructuren de grens benaderd van hoe klein materiaalstructuren kunnen zijn. De extreme precisie bij de vervaardiging van dergelijke producten vereist processen in cleanroom-omgevingen en bescherming tegen trillingen van seismische activiteit, plaatselijke vliegtuigen, treinen, verkeer en nabijgelegen machines.

De belangrijkste processen bij de fabricage van IC's zijn de productie van wafers, lithografie en selectieve doping - meestal door ionenimplantatie. Veel fabrieken zijn gespecialiseerd in de vervaardiging van wafers of de daaropvolgende chipfabricage met fotolithografie en doping. Taiwan Semiconductor (TSMC) produceert zowel wafers als chips; het is de enige fabriek die geavanceerde 5-nm en 3-nm chips produceert. Sommige halfgeleiderproducenten zoals Intel en Texas Instruments hebben hun eigen fabrieken en vertrouwen alleen op TSMC voor de levering van hun meest geavanceerde chips. Veel fabrikanten zonder productiecapaciteit (waaronder Apple, ARM en Nvidia) vertrouwen echter volledig op TSMC voor hun halfgeleiderproductie.

Afbeelding 4: GlobalFoundries is onlangs begonnen met een investering van 1 miljard dollar om zijn bestaande fabriek in de staat New York in staat te stellen 150 000 extra wafers per jaar te produceren. Deze nieuwe capaciteit is bedoeld om te voldoen aan de vraag naar chips met veel mogelijkheden voor auto-, 5G- en IoT-toepassingen. De faciliteit zal ook de nationale veiligheidseisen voor een veilige bevoorradingsketen ondersteunen. (Bron afbeelding: GlobalFoundries)

Hoewel AMD technisch gezien geen fabrieken heeft, is het niet afhankelijk van TSMC en fabriceerde het vroeger zijn eigen chips. AMD stootte zijn fabricageactiviteiten af en noemde ze GlobalFoundries; deze laatste exploiteert fabrieken in de VS, Europa en Singapore. De fabriek in New York produceerde in het verleden chips tot 14 nm; in het verschiet liggen 4-nm chips en vervolgens 3-nm chips.

Het overwegen van specifieke chipfabricageprocessen

Een groot deel van de halfgeleiderproductie maakt gebruik van schaalbare processen met een hoog rendement waarmee in één stap miljoenen afzonderlijke kenmerken (zelfs op nanoschaal) kunnen worden gemaakt. Denk aan enkele specifieke zaken.

Productie van siliciumwafers: Polykristallijne siliciumnuggets worden gesmolten in een gedeeltelijk geëvacueerde argonatmosfeer en vervolgens getrokken met behulp van een zaadkristal om een eenkristallijne siliciumstaaf te laten groeien - een cilinder met kop- en staartkegels die worden gevormd wanneer het proces wordt gestart en gestopt. In dit stadium kan enige uniforme doping aan de silicone worden toegevoegd.

Afbeelding 5: Hier worden verschillende kristallen siliciumstaven getoond en de schijven die daaruit kunnen worden gesneden. Na het trekken en vóór het malen zijn er nog kegels op de staaf aanwezig. (Bron afbeelding: Getty Images)

Vervolgens wordt de staaf geslepen tot een blok met een precieze diameter en wordt een inkeping aangebracht om de kristaloriëntatie aan te geven. Het blok wordt vervolgens met een draadzaag in plakken gesneden; de plakken worden afgeschuind en gelept met diamantslijpgereedschap; en vervolgens wordt de oppervlakteafwerking verfijnd met chemisch etsen, warmtebehandeling, polijsten en reinigen met ultrazuiver water en chemicaliën. Wafers worden gecontroleerd op vlakheid en deeltjesvrije zuiverheid voordat ze worden verpakt.

Afbeelding 6: Zelfs schijnbaar vertrouwde reinigingsproducten nemen nieuwe vormen aan wanneer ze bestemd zijn voor gebruik in cleanrooms. (Bron afbeelding: ACL Staticide Inc.)

Lithografie: Elektronische schakelingen worden geproduceerd door eerst een dunne film van metalen geleider op een halfgeleidersubstraat af te zetten en vervolgens met behulp van lithografie een masker af te drukken voor de patronen van de schakeling, alvorens de resterende geleidende laag weg te etsen. Deze methoden werden oorspronkelijk ontwikkeld voor grotere gedrukte schakelingen, maar worden nu gebruikt voor de fabricage van IC's op nanoschaal. Metalen vinnen worden gedrukt in een rasterpatroon, waarbij chips met een 5-nm-proces vinnen hebben met een onderlinge afstand van ongeveer 20 nm. Geautomatiseerde systemen voor dit specifieke proces maken vaak gebruik van directe aandrijftechnologieën, stabilisatievoeten en software en zelfs luchtlagers.

Afbeelding 7: Nanoschaalstructuren kunnen worden onderzocht met elektronenmicroscopen en scanning tunnelling microscopen. Reparatieapparatuur voor fotomaskers zoals hier getoond automatiseert de detectie van defecten en de verificatie van reparaties om de doorvoer te versnellen. Met atoomkrachtmicroscopie kunnen defecten en vreemde deeltjes met nanometerprecisie en angstrom-niveau worden opgespoord en hersteld. (Bron afbeelding: Park Systems)

Afzetting van dunfilmmateriaal: In dit proces wordt metallisch materiaal afgezet op de siliciumwafel met behulp van vacuümverdamping, sputterafzetting of chemische dampafzetting.

Patronen: Dit is het eigenlijke lithografieproces waarbij het masker wordt aangebracht om te voorkomen dat de metaallaag in de daaropvolgende etsstap van geselecteerde gebieden wordt verwijderd. Gangbare patronen zijn fotolithografie, elektronenbundellithografie en nano-imprintlithografie. Metaal tussen de openingen in het masker wordt verdampt door een laser- of elektronenbundel.

Etsen: Het chemisch verwijderen van lagen materiaal. Bij chemisch nat etsen worden reactieve vloeistoffen gebruikt, zoals zuren, basen en oplosmiddelen, terwijl bij droog etsen reactieve gassen worden gebruikt. Droog etsen omvat reactief ion-etsen en conductief gekoppeld plasma-etsen. Hier regelt geautomatiseerde apparatuur de procesduur en -snelheid - de sleutel tot het binnen de toleranties houden van de spaanafmetingen.

Ionenimplantatie: Zodra het raster van elektrische verbindingen op een siliciumwafer is gemaakt, moeten op de knooppunten individuele transistors worden gemaakt door de siliconen te doteren om NPN- of PNP-knooppunten te creëren. Dit wordt bereikt door ionenbundels bestaande uit de dopingelementen op de knooppunten te richten. Door de zeer hoge snelheid van de versnelde ionenbundels dringen zij door in het materiaal en nestelen zich in het kristalrooster van de siliciumwafel. De patronen die tijdens het lithografieproces ontstaan, worden gebruikt om het ionenimplantatieproces nauwkeurig te sturen.

Automatisering gebruiken om halfgeleiderkwaliteit te leveren

Een groot deel van de Amerikaanse halfgeleiderindustrie produceert momenteel fabricageapparatuur in plaats van zelf halfgeleiders te fabriceren. Deze apparatuur past meer conventionele mechanische en elektronische automatiseringstechnologieën voor de fabricage toe. Bijvoorbeeld:

• Lithografie-apparatuur wordt gemaakt door Applied Materials en ASML.
• Apparatuur voor chemische dampdepositie wordt gemaakt door Lam Research en Applied Materials.
• Plasma-etsapparatuur wordt gemaakt door Lam Research, Applied Materials en Plasma-Therm.
• Apparatuur voor ionenimplantatie wordt gemaakt door Axcelis Technologies en Varian Semiconductor Equipment Associates.

Hoewel de VS momenteel het grootste deel van hun halfgeleidervolumes invoeren, worden alle fabricagestappen tot op zekere hoogte in de VS uitgevoerd. Dit omvat zowel wafer- als chipfabricage door Intel, GlobalFoundries, Texas Instruments en anderen.

Processen voor afzetting van dunne-filmmateriaal, lithografische patronen, chemisch etsen en ionenimplantatie voor chipfabricage zijn intrinsiek schaalbaar. Zij maken het mogelijk om miljoenen individuele verbindingen tegelijkertijd tot stand te brengen. Fabrikanten automatiseren daarom steeds meer, deels om de productiviteit te verhogen, maar tegenwoordig nog vaker om de kwaliteit te verbeteren.

Automatisering wordt ook geassocieerd met chemische, chip- en waferbehandelingen en het gebruik van cleanroomrobots van fabrikanten als KUKA Robotics. Deze laatste spelen een belangrijke rol bij het beperken van verliezen als gevolg van menselijke fouten.

Afbeelding 8: Collaboratieve robots rijden op systemen met een zevende as om siliciumwafers (40 µm dik en tot 300 mm in diameter) te hanteren terwijl ze tot 1200 stappen doorlopen om tot chips te worden verwerkt. (Bron afbeelding: KUKA Robotics)

Maar bij de productie van halfgeleiders gaat automatisering vaak meer over de verwerking van gegevens en de automatisering van de daaruit voortvloeiende beslissingen. Fabrieken gebruiken geautomatiseerde algoritmen voor geavanceerde procesbeheersing of APC en statistische procesbeheersing of SPC. Deze sporen procesvariaties en daaruit voortvloeiende fabricagefouten op die via real-time controle van de fabricageprocessen moeten worden verminderd. Dergelijke systemen kunnen gebruik maken van kunstmatige intelligentie en machinaal leren om patronen op te sporen in zeer grote gegevensreeksen waarin vele procesparameters en kwaliteitskenmerken worden bijgehouden.

Volgens de denkwijze van Siemens omvat APC verschillende methoden om de variatie in controlevariabelen te verminderen - waaronder fuzzy control, model predicative control, model-based control, statistisch model en neurale netwerken. Dergelijke Industrie 4.0-technologieën worden vaak geïmplementeerd via geïntegreerde ecosystemen zoals die van Siemens of EcoStruxure van Schneider Electric (om twee voorbeelden te noemen) voor de halfgeleiderindustrie. Procesvariabelen kunnen worden gecombineerd met machineconditiebewaking voor voorspellend onderhoud dat routineonderhoud aan productiemachines vermindert en stilstand voorkomt.

Conclusie

Nu de VS het concurrentievermogen van de binnenlandse productie van strategisch belangrijke halfgeleiders wil waarborgen, is geavanceerde automatisering van essentieel belang. Cleanroomrobots die materiaal hanteren zijn de meest voor de hand liggende en zichtbare toepassing van automatisering, maar het is de geautomatiseerde procesbesturing van de eigenlijke fabricageprocessen waar echte concurrentievoordelen worden behaald. Van het regelen van de omgeving voor de groei van siliciumkristallen tot het zorgen voor een nauwkeurige dotering bij verbindingen tijdens ionenimplantatie, de efficiënte en defectvrije productie van IC's op nanoschaal hangt af van de real-time controle van duizenden procesparameters.

Uiteindelijk zal geavanceerde procesbesturing met integratie van IIoT-sensors, AI-algoritmen en andere geavanceerde modelgebaseerde besturingsmethoden het concurrentievermogen van de Amerikaanse halfgeleiderindustrie waarborgen.