Hur automation hjälper amerikanska tillverkare att skala upp halvledartillverkningen

Halvledare är kärnan i all modern elektronik, kraftdistribution och förnybar kraftproduktion. Halvledarprodukter omfattar allt från enkla diskreta komponenter som t.ex. transistorer och dioder till komplicerade integrerade kretsar (IC). Halvledarenheter är ofta kärnan i logiska grindar som tillsammans bildar digitala kretsar. De finns också i oscillatorer, givare, analoga förstärkare, solceller, lysdioder, lasrar och kraftomvandlare. Branschens produktkategorier omfattar minne, logik, analoga kretsar, mikroprocessorer, diskreta strömförsörjningar och givare.

Bild 1: Tillverkningen av integrerade kretsar och andra halvledarprodukter kräver specialutrustning. (Bildkälla: Getty Images)

Trots halvledarnas kritiska natur är en stor del av världen beroende av odiversifierade, och därför sårbara, globala leveranskedjor. Detta beror på mycket betydande ekonomiska fördelar som gör starkt konsoliderad produktion mer ekonomiskt konkurrenskraftig. Anläggningar för tillverkning av halvledare kostar trots allt miljarder att bygga och kräver väldigt högutbildad personal.

Bild 2: Linjära motorer, enheter för remdrift och små linjära profilskenor är bara några exempel på precisionsutrustning i maskiner för bearbetning av halvledare. (Bildkälla: Getty Images)

Merparten av fabrikerna finns i Taiwan, Japan, Kina, USA och Tyskland och har varit verksamma i årtionden. Mer än hälften av alla halvledare och mer än 90 % av alla avancerade halvledare tillverkas emellertid i Taiwan och alla större elektroniktillverkare använder åtminstone en taiwanesisk fabrik för tillverkning av halvledare i någon del av sin halvledartillverkning. Den senaste tidens geopolitiska spänningar har satt fokus på farorna med ett sådant beroende. 2022 års CHIPS (Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors) och ”Science Act” syftar till att lösa detta problem genom att ge användare och automationsleverantörer incitament att etablera och utöka den amerikanska halvledarproduktionen.

Tillståndet för halvledartillverkningen

De flesta material har antingen bra elektrisk ledningsförmåga, som t.ex. metaller, eller är bra isolatorer, som t.ex. glas. Halvledare har en elektrisk ledningsförmåga som ligger mellan ledare och isolatorer; ledningsförmågan justeras genom att man tillför föroreningar i kristallstrukturen via en process som kallas dopning. Dopning med en elektrondonator ger en negativ laddning för en halvledare av n-typ. Omvänt skapar dopning med en elektronacceptor hål med positiv laddning för en halvledare av p-typ. Två angränsande, men olika, dopade områden i en enkel kristall bildar en p-n-övergång i en halvledare. Transistorer kan vara försedda med NPN- eller PNP-övergångar.

Kisel är det i särklass vanligaste halvledarmaterialet. Vanliga dopningsämnen för n-typen är fosfor och arsenik medan bor och gallium är vanliga dopningsämnen för p-typen.

Figur 3: Robiten med sex axlar i denna maskin från Jabil Precision Automation Solutions utför uppgifter relaterade till automatiserad sortering med hårkors utan att kompromissa med den stängda renrumsmiljön. (Bildkälla: Omron Automation Americas)

Den mest avancerade halvledartillverkningen framställer produkter med egenskaper i storleksordningen mellan 1 och 100 nm. Eftersom en nanometer är en miljarddels meter och avståndet mellan enskilda atomer i ett fast ämne är mellan 0,1 och 0,4 nm, har moderna nanostrukturer i halvledare närmat sig gränsen för hur små materialstrukturer kan vara. Den extrema precision som krävs för att tillverka sådana produkter kräver processer som utförs i renrumsmiljöer och skyddas mot vibrationer från seismisk aktivitet, lokala flygplan, tåg, trafik och närliggande maskiner.

De viktigaste processerna vid tillverkning av integrerade kretsar är tillverkning av plattor, litografi och selektiv dopning - oftast genom implantering av joner. Många fabriker är specialiserade på antingen tillverkning av plattor eller den efterföljande kretstillverkningen med fotolitografi och dopning. Taiwan Semiconductor (TSMC) tillverkar både plattor och kretsar och är den enda tillverkaren som producerar avancerade kretsar på 5 och 3 nm. Somliga halvledartillverkare, som t.ex. Intel och Texas Instruments, har sina egna fabriker och förlitar sig enbart på TSMC för att leverera sina mest avancerade kretsar. Många tillverkare utan fabriker (däribland Apple, ARM och Nvidia) är dock helt beroende av TSMC för sin halvledartillverkning.

Figur 4: GlobalFoundries påbörjade nyligen en investering på 1 miljard USD för att kunna tillverka ytterligare 150 000 plattor per år vid sin befintliga anläggning i delstaten New York. Den nya kapaciteten syftar till att tillgodose efterfrågan på kretsar med många funktioner för 5G- och IoT-tillämpningar i fordon. Anläggningen kommer också att stödja nationella säkerhetskrav på en säker leveranskedja. (Bildkälla: GlobalFoundries)

Även om AMD tekniskt sett står utan fabrik är företaget inte beroende av TSMC och har tidigare tillverkat sina egna kretsar. AMD knoppade av sin tillverkningsverksamhet och gav den namnet GlobalFoundries; den senare driver fabriker i USA, Europa och Singapore. Fabriken i New York har historiskt tillverkat kretsar ned till 14 nm; inom en snar framtid kommer även kretsar på 4 nm och därefter 3 nm att tillverkas där.

Beaktande av specifika processer för kretstillverkning

En stor del av halvledartillverkningen använder skalbara processer med hög avkastning som gör det möjligt att skapa miljontals enskilda egenskaper (även egenskaper i nanoskala) i ett enda steg. Beakta några av detaljerna.

Tillverkning av kiselplattor: Polykristallina bitar av kisel smälts i en miljö som delvis är tömd på argon och dras sedan ut med hjälp av en frökristall för att bilda en kristallin kiseltacka - en cylinder med huvud- och slutkon som bildas när processen startas och stoppas. I detta skede kan en viss enhetlig dopning tillföras kislet.

Figur 5: Här visas flera tackor av kristalliserad kisel och de plattor som kan kapas från dem. Koner finns fortfarande kvar på tackorna efter utdragningen och före slipningen. (Bildkälla: Getty Images)

Därefter slipas tackan till ett block med en exakt diameter och en skåra läggs till för att ange kristallens riktning. Blocket skärs därefter upp i plattor med en vajersåg. Plattorna fasas och lindas med slipverktyg av diamant och ytfinishen förfinas med kemisk etsning, värmebehandling, polering och rengöring med ultrarent vatten och kemikalier. Plattorna inspekteras för ytjämnhet och partikelfri renhet innan de förpackas.

Bild 6: Även till synes välbekanta rengöringsprodukter bildar nya former när de ska användas i renrum. (Bildkälla: ACL Staticide Inc.)

Litografi: Elektroniska kretsar tillverkas genom att man först lägger en tunn film av metallisk ledare på ett halvledarsubstrat och därefter använder litografi för att skriva ut en mask för kretsens mönster, innan man etsar bort det återstående ledande skiktet. Metoderna utvecklades ursprungligen för större tryckta kretsar men används nu för tillverkning av integrerade kretsar i nanoskala. Metallfenor trycks i ett rutmönster, där kretsar i processen för 5 nm har fenor med ett inbördes avstånd på ca 20 nm. Automatiserade system för denna speciella process använder ofta direktdrivningsteknologi samt stabiliseringsbaser och programvara och till och med luftlager.

Figur 7: Strukturer i nanoskala som kan undersökas med elektronmikroskop och sveptunnelmikroskop. Utrustning för reparation av fotomasker, som den som visas här, automatiserar detektering av defekter samt verifiering av reparationen för att öka genomströmningen. Med atomkraftsmikroskopi kan defekter och främmande partiklar upptäckas och repareras med en noggrannhet ned på nanometernivå och precision på ångströmnivå. (Bildkälla: Park Systems)

Applicering av tunnfilmsmaterial: I denna process appliceras metalliskt material på kiselplattan med hjälp av vakuumförångning, sprutapplicering eller kemisk ångapplicering.

Mönstersättning: Detta är den faktiska litografiprocess då masken appliceras för att förhindra att metallskiktet avlägsnas från utvalda områden i det efterföljande etsningssteget. Vanliga processer för mönstersättning är foto-, elektronstråle- och nanoimprintlitografi. Metallen i maskens mellanrum förångas med hjälp av en laser- eller elektronstråle.

Etsning: Kemisk borttagning av materialskikt. Vid kemisk våtetsning används reaktiva vätskor som t.ex. syror, baser och lösningsmedel, medan man vid torretsning använder reaktiva gaser. Torretsning omfattar reaktiv jonetsning och konduktivt kopplad plasmaetsning. Automatiserad utrustning styr processens varaktighet och hastighet - vilket är avgörande för att hålla kretsens egenskaper inom toleranserna.

Implantering av joner: När nätet av elektriska anslutningar har skapats på en kiselplatta måste enskilda transistorer skapas vid övergångarna genom att dopa kislet för att skapa NPN- eller PNP-övergångar. Detta uppnås genom att strålar av joner, som består av dopningselement, riktas mot övergångarna. Den mycket höga hastigheten hos de accelererade jonstrålarna gör att de tränger igenom materialet och bäddar in sig i kiselplattans kristallgitter. De mönster som skapas under litografiprocessen används för exakt styrning av processen för jonimplanteringar.

Använda automation för att leverera halvledarkvalitet

En stor del av den amerikanska halvledarindustrin tillverkar för närvarande tillverkningsutrustning snarare än att själva tillverka halvledare. Denna utrustning använder sig av mer konventionella mekaniska och elektroniska automationstekniker för tillverkning. Exempel:

• Litografiutrustning tillverkas av Applied Materials och ASML.
• Utrustning för användning av kemisk förångning tillverkas av Lam Research och Applied Materials.
• Utrustning för plasmaetsning tillverkas av Lam Research, Applied Materials och Plasma-Therm.
• Utrustning för jonimplantering tillverkas av Axcelis Technologies och Varian Semiconductor Equipment Associates.

Även om USA för närvarande importerar merparten av sina volymer av halvledare så utförs alla tillverkningssteg i viss utsträckning i USA. Detta inkluderar tillverkning av både plattor och kretsar av Intel, GlobalFoundries, Texas Instruments med flera.

Processerna för applicering av tunnfilmsmaterial, litografisk mönstring, kemisk etsning och jonimplantering för kretstillverkning är i sig skalbara. De gör att miljontals enskilda övergångar kan skapas samtidigt. Tillverkarna ökar därför delvis automatiseringsnivåerna för att förbättra produktiviteten - men mer frekvent idag för att förbättra kvaliteten.

Automation är också förknippat med hantering av kemikalier, kretsar och plattor samt användning av renrumsrobotar som tillverkas av tillverkare som t.ex. KUKA Robotics. De senare spelar en viktig roll för att minska de förluster som orsakas av mänskliga fel.

Bild 8: Samarbetande robotar används i system med sju axlar för att hantera kiselplattor (40 µm tjocka och upp till 300 mm i diameter) när de går igenom upp till 1 200 steg för att omvandlas till kretsar. (Bildkälla: KUKA Robotics)

Men inom halvledartillverkning handlar automatisering ofta mer om bearbetning av data och automatisering av resulterande beslut. Fabrikerna använder automatiserade algoritmer för avancerad styrning av processen (APC) och statistisk styrning av processen (SPC). Dessa spårar processvariationer och de tillverkningsfel dessa medför för att minska dessa via realtidsstyrning av tillverkningsprocesser. Sådana system kan använda artificiell intelligens och maskininlärning för att identifiera mönster i mycket stora datamängder och spåra många processparametrar och kvalitetsmått.

Enligt Siemens definition omfattar APC olika metoder för att minska variationen i styrvariablerna - inklusive styrning med oskapr logik, styrning med förutsägbar modeller, modellbaserad styrning, statistiska modeller och neurala nätverk. Sådana tekniker för Industry 4.0 implementeras ofta via integrerade ekosystem som de som tillhandahålls av Siemens eller Schneider Electrics EcoStruxure (för att nämna två exempel) för halvledarindustrin. Variabler i processen kan kombineras med övervakning av maskinens skick för förebyggande underhåll som i sin tur minskar det rutinmässiga underhållet av produktionsmaskiner och samtidigt undviker driftstopp.

Sammanfattning

När USA ska säkerställa konkurrenskraften för den inhemska produktionen av strategiskt viktiga halvledare kommer toppmodern automation att vara avgörande. Renrumsrobotar som utför materialhantering är den mest uppenbara och synliga implementeringen av automatisering, men det är den automatiserade processtyrningen av de faktiska tillverkningsprocesserna som ger verkliga konkurrensfördelar. Från att kontrollera miljön för tillväxt av kiselkristaller till att säkerställa exakt dopning vid övergångar vid jonimplantering, är effektiv och felfri produktion av integrerade kretsar i nanoskala beroende av realtidsstyrningar av tusentals processparametrar.

I slutändan kommer det att vara avancerad processtyrning som omfattar integration av IIoT-givare, algoritmer för artificiell intelligens och andra avancerade modellbaserade styrmetoder som kommer att säkerställa den amerikanska halvledarindustrins konkurrenskraft.