Jak automatizace pomáhá americkým výrobcům rozšiřovat výrobu polovodičů

Polovodiče jsou jádrem veškeré moderní elektroniky, rozvodu energie a výroby energie z obnovitelných zdrojů. Polovodičové produkty sahají od jednoduchých diskrétních součástek, jako jsou tranzistory a diody, až po složité integrované obvody, neboli IO. Polovodičová zařízení jsou často jádrem logických hradel, která se kombinují a tvoří digitální obvody. Nachází se také v oscilátorech, senzorech, analogových zesilovačích, fotovoltaických článcích, LED diodách, laserech a převodnících energie. Kategorie průmyslových produktů zahrnují paměti, logiku, analogové integrované obvody, mikroprocesory, diskrétní napájecí zařízení a senzory.

Obrázek 1: Výroba integrovaných obvodů a dalších polovodičových produktů vyžaduje speciální vybavení. (Zdroj obrázku: společnost Getty Images)

Navzdory kritické povaze polovodičů je velká část světa závislá na nediverzifikovaných, a proto zranitelných globálních dodavatelských řetězcích. To je způsobeno velmi významnými úsporami z rozsahu, které činí vysoce konsolidovanou výrobu ekonomicky konkurenceschopnější. Koneckonců, výstavba zařízení na výrobu polovodičů stojí miliardy a vyžaduje velmi kvalifikovaný personál.

Obrázek 2: Lineární motory, řemenové pohony a miniaturní lineární vedení s profilovou lištou jsou jen některé z přesných zařízení ve strojích pro zpracování polovodičů. (Zdroj obrázku: společnost Getty Images)

Většina továren (sléváren) se nachází na Tchaj-wanu, v Japonsku, Číně, USA a Německu a funguje již desítky let. Více než polovina všech polovodičů a více než 90 % všech pokročilých polovodičů se však vyrábí na Tchaj-wanu, přičemž všichni velcí výrobci elektroniky používají pro alespoň část výroby polovodičů jeden tchajwanský závod na výrobu polovodičů. Nedávné geopolitické napětí upozornilo na nebezpečí této závislosti. Cílem zákona o čipech (zákon o vytváření užitečných pobídek k výrobě polovodičů – „Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors“, CHIPS) a vědě z roku 2022 je tento problém vyřešit tím, že se provozovatelé a dodavatelé automatizace budou pobízet, aby zakládali a rozšiřovali výrobu polovodičů v USA.

Stav výroby polovodičů

Většina materiálů je buď dobrými vodiči elektřiny, jako jsou kovy, nebo izolanty, jako je sklo. Polovodiče mají elektrickou vodivost mezi vodiči a izolanty. Tato vodivost se upravuje zaváděním nečistot do krystalové struktury prostřednictvím procesu zvaného dopování. Dopování prvkem-donorem elektronu dává polovodiči typu N záporný (angl. „negative“) náboj. Naopak dopování prvkem-akceptorem elektronu vytváří díry s kladným (angl. „positive“) nábojem pro polovodič typu P. Dvě sousední, ale odlišně dopované oblasti v rámci jednoho krystalu tvoří polovodičový přechod PN. Tranzistory mohou být uspořádány s přechody NPN nebo PNP.

Zdaleka nejběžnějším polovodičovým materiálem je křemík. Běžnými příměsemi typu N jsou fosfor a arzen, zatímco běžnými příměsemi typu P jsou bor a gallium.

Obrázek 3: Šestiosý robot v tomto stroji Jabil Precision Automation Solutions provádí úkoly související s automatizovaným řazením nitkového kříže, aniž by došlo k ohrožení uzavřeného čistého prostředí. (Zdroj obrázku: společnost Omron Automation Americas)

Při nejpokročilejší výrobě polovodičů se vyrábí produkty s nanorozměry mezi 1 a 100 nm. Vzhledem k tomu, že nanometr je jedna miliardtina metru a vzdálenost mezi jednotlivými atomy v pevné látce je mezi 0,1 a 0,4 nm, moderní polovodičové nanostruktury se přiblížily hranici toho, jak malé mohou materiálové struktury být. Extrémní přesnost výroby takových produktů vyžaduje procesy prováděné v prostředí čistých prostor a také ochranu proti vibracím způsobeným seizmickou aktivitou, místními letadly, vlaky, dopravou a blízkými stroji.

Nejvýznamnějšími procesy ve výrobě IO jsou výroba waferů, litografie a selektivní dopování – nejčastěji iontovou implantací. Mnoho továren se specializuje buď na výrobu waferů, nebo na následnou výrobu čipů zahrnující fotolitografii a dopování. Společnost Taiwan Semiconductor (TSMC) vyrábí jak wafery, tak čipy. Je to jediná továrna vyrábějící pokročilé 5nm a 3nm čipy. Někteří výrobci polovodičů, jako jsou společnosti Intel a Texas Instruments, mají své vlastní továrny a pouze v dodávkách svých nejpokročilejších čipů se spoléhají na společnost TSMC. Mnoho výrobců (včetně společností Apple, ARM a Nvidia) však své vlastní továrny nemá a při výrobě polovodičů se zcela spoléhá na společnost TSMC.

Obrázek 4: Společnost GlobalFoundries nedávno zahájila investici ve výši 1 miliardy USD, aby umožnila svému stávajícímu závodu ve státě New York vyrábět dalších 150 000 waferů ročně. Cílem této nové kapacity je uspokojit poptávku po čipech bohatých na funkce pro automobilové, 5G a IoT aplikace. Závod bude také podporovat požadavky národní bezpečnosti pro bezpečný dodavatelský řetězec. (Zdroj obrázku: společnost GlobalFoundries)

Společnost AMD je sice technicky bez továrny, není však závislá na společnosti TSMC a dříve své vlastní čipy vyráběla. Společnost AMD oddělila svou výrobu a firmu pojmenovala GlobalFoundries. Ta nyní provozuje továrny v USA, Evropě a Singapuru. Newyorská továrna této společnosti vyráběla v minulosti čipy až do 14 nm. Na obzoru jsou 4nm čipy a pak 3nm čipy.

Aspekty specifických procesů výroby čipů

Velká část výroby polovodičů využívá škálovatelné procesy s vysokou výtěžností, které umožňují vytváření milionů jednotlivých prvků (dokonce i prvků v nanorozměrech) v jediném kroku. Vezměme v úvahu některá specifika.

Výroba křemíkových waferů: V částečně vakuované atmosféře argonu se roztaví polykrystalické křemíkové nugety a poté se vytáhnou pomocí zárodečného krystalu, aby se vypěstoval monokrystalický křemíkový ingot – válec s kužely hlavy a špice vytvořenými při spuštění a zastavení procesu. V této fázi může být do křemíku přidáno určité rovnoměrné dopování.

Obrázek 5: Několik ingotů krystalového křemíku a disků, které z nich lze nařezat. Po vytažení a před broušením se na ingotech stále nacházejí kužely. (Zdroj obrázku: společnost Getty Images)

Dále se ingot zbrousí do bloku s přesným průměrem a přidá se zářez k označení orientace krystalu. Blok se pak rozřeže na wafery pomocí lanové pily. Pomocí diamantových brusných kotoučů se zkosí hrany a wafery se zabrousí lapováním. Poté se povrchové úpravy zušlechťují chemickým leptáním, tepelným zpracováním, leštěním a čištěním ultračistou vodou a chemikáliemi. Wafery se před zabalením kontrolují, zda jsou rovné a čisté bez částic.

Obrázek 6: I zdánlivě známé čisticí prostředky nabývají nových podob, jsou-li určeny pro použití v prostředí čistých prostor. (Zdroj obrázku: společnost ACL Staticide Inc.)

Litografie: Elektronické obvody se vyrábějí tak, že se na polovodičový substrát nejprve nanese tenká vrstva kovového vodiče a poté se pomocí litografie vytiskne maska pro obrazce obvodu, načež se zbývající vodivá vrstva odleptá. Tyto metody byly původně vyvinuty pro větší tištěné obvody, ale nyní se používají pro výrobu IO v nanorozměrech. Kovová žebra se tisknou v mřížkovém vzoru a 5nm procesní čipy mají žebra rozmístěná s roztečí přibližně 20 nm. Automatizované systémy pro tento konkrétní proces často využívají technologie přímého pohonu stejně jako stabilizační základny a software a dokonce i vzduchová ložiska.

Obrázek 7: Struktury v nanorozměrech lze zkoumat pomocí elektronových mikroskopů stejně jako pomocí řádkovacích tunelových mikroskopů. Zařízení na opravu fotomasek, jako je to zobrazené zde, automatizuje detekci defektů a ověřování oprav pro urychlení propustnosti. Mikroskopie atomárních sil umožňuje detekci a opravu defektů a cizích částic s přesností v řádu nanometrů a na úrovni angströmů. (Zdroj obrázku: společnost Park Systems)

Nanášení tenkovrstvých materiálů: V tomto procesu se na křemíkový wafer nanáší kovový materiál pomocí vakuového napařování, naprašování nebo chemické depozice v parní fázi.

Vzorování: Toto je skutečný litografický proces, během kterého se aplikuje maska, aby se zabránilo odstranění kovové vrstvy z vybraných oblastí v následném kroku leptání. Mezi běžné procesy vzorování patří fotolitografie, elektronová litografie a nanoimprint litografie. Kov mezi mezerami v masce se odpařuje laserovým nebo elektronovým paprskem.

Leptání: Jde o chemické odstraňování vrstev materiálu. Při chemickém mokrém leptání se využívají reaktivní kapaliny, jako jsou kyseliny, zásady a rozpouštědla, zatímco při suchém leptání se využívají reaktivní plyny. Suché leptání zahrnuje leptání reaktivními ionty a leptání vodivě vázaným plazmatem. Automatizované zařízení zde řídí dobu trvání procesu a rychlost, což je klíčové k udržení vlastností čipů v rámci daných tolerancí.

Iontová implantace: Jakmile se na křemíkovém waferu vytvoří mřížka elektrických spojení, musí být na přechodech vytvořeny jednotlivé tranzistory dopováním křemíku, aby se vytvořily přechody NPN nebo PNP. Toho se dosáhne nasměrováním iontových paprsků složených z prvků dopování na přechody. Velmi vysoká rychlost urychlených iontových paprsků způsobí, že pronikají materiálem a usazují se v krystalové mřížce křemíkového waferu. Vzory vytvořené během procesu litografie se používají k přesnému vedení procesu iontové implantace.

Využití automatizace k zajištění kvality polovodičů

Velká část amerického průmyslu polovodičů v současnosti vyrábí ve skutečnosti spíše výrobní zařízení než polovodiče samotné. Toto zařízení používá konvenčnější mechanické a elektronické technologie automatizace výroby. Například:

• Litografické vybavení vyrábějí společnosti Applied Materials a ASML.
• Zařízení pro chemickou depozici v parní fázi vyrábějí společnosti Lam Research a Applied Materials.
• Zařízení pro plazmové leptání vyrábějí společnosti Lam Research, Applied Materials a Plasma-Therm.
• Zařízení pro iontovou implantaci vyrábějí společnosti Axcelis Technologies a Varian Semiconductor Equipment Associates.

Ačkoli USA v současné době většinu objemu polovodičů dovážejí, všechny fáze výroby se do určité míry provádějí v USA. To zahrnuje výrobu waferů a čipů společnostmi Intel, GlobalFoundries, Texas Instruments a dalšími.

Procesy nanášení tenkovrstvých materiálů, litografického vzorování, chemického leptání a iontové implantace pro výrobu čipů jsou ze své podstaty škálovatelné. Umožňují vytvářet současně miliony jednotlivých přechodů. Výrobci proto zvyšují úroveň automatizace částečně kvůli zlepšení produktivity, ale v dnešní době častěji kvůli zlepšení kvality.

Automatizace je také spojena s operacemi manipulace s chemikáliemi, čipy a wafery a také s používáním robotů pro čisté prostory, které vyrábějí výrobci jako společnost KUKA Robotics. Roboty hrají důležitou roli při snižování ztrát způsobených lidskými chybami.

Obrázek 8: Kolaborativní roboty jezdí na sedmiosých systémech a manipulují s křemíkovými wafery (s tloušťkou 40 µm a průměrem až 300 mm), když procházejí až 1 200 kroky, než se z nich stanou čipy. (Zdroj obrázku: společnost KUKA Robotics)

Ve výrobě polovodičů se však automatizace týká často spíše zpracování dat a automatizace výsledných rozhodnutí. Továrny využívají automatizované algoritmy pro pokročilé řízení procesů („advanced process control“, APC) stejně jako pro statistické řízení procesů („statistical process control“, SPC). Tyto algoritmy sledují odchylky procesů a z nich vyplývající výrobní vady, které je třeba redukovat prostřednictvím kontroly výrobních procesů v reálném čase. K identifikaci vzorů ve velmi rozsáhlých souborech dat sledujících mnoho procesních parametrů a metrik kvality mohou takové systémy využívat umělou inteligenci a strojové učení.

Myšlenkové vedení společnosti Siemens definuje APC jako zahrnující různé metody pro snížení odchylek v řídicích proměnných – včetně fuzzy řízení, predikativního řízení na základě modelu, řízení založeného na modelu, statistického modelu a neuronových sítí. Takové technologie Průmyslu 4.0 se často implementují prostřednictvím integrovaných ekosystémů, jako jsou ty, které pro polovodičový průmysl nabízí společnosti Siemens nebo platforma EcoStruxure společnosti Schneider Electric (abych uvedl dva příklady). Procesní proměnné lze kombinovat s monitorováním stavu stroje pro prediktivní údržbu, která snižuje rutinní údržbu výrobních strojů a zároveň zabraňuje prostojům.

Závěr

Vzhledem k tomu, že se USA snaží zajistit konkurenceschopnost domácí výroby strategicky kritických polovodičů, bude nezbytná nejmodernější automatizace. Nejzřetelnější a nejviditelnější implementací automatizace jsou roboty pro čisté prostory provádějící manipulaci s materiálem, ale skutečné konkurenční výhody se získávají díky automatizovanému řízení procesů skutečných výrobních procesů. Efektivní a bezchybná výroba integrovaných obvodů v nanorozměrech závisí na řízení tisíců procesních parametrů v reálném čase, od řízení prostředí pro růst křemíkových krystalů až po zajištění přesného dopování na přechodech během iontové implantace.

V konečném důsledku to bude pokročilé řízení procesů zahrnující integraci senzorů IIoT, algoritmů AI a dalších pokročilých metod řízení založených na modelu, které zajistí konkurenceschopnost amerického polovodičového průmyslu.