Hogyan segít az automatizálás az amerikai gyártóknak a félvezetőgyártás versenyképessé tételében?

A félvezetők a korszerű elektronika, az energiaelosztás és a megújuló energiatermelés központi elemei. A félvezető termékek az egyszerű diszkrét alkatrészektől, például a tranzisztoroktól és diódáktól az összetett integrált áramkörökig vagy a magyarban is elterjedten használt angol betűszóval IC-kig (integrated circuit) terjednek. A digitális áramköröket alkotó logikai kapuk középpontjában gyakran félvezető eszközök állnak. Emellett megtalálhatók az oszcillátorokban, érzékelőkben, analóg erősítőkben, fényelektromos (fotovoltaikus) cellákban, LED-ekben, lézerekben és áramátalakítókban is. Az ipari termékkategóriák közé tartoznak többek között a memória, a logikai alkatrészek, az analóg IC-k, a mikroprocesszorok, a diszkrét tápegységek és az érzékelők.

1. ábra: Az integrált áramkörök és más félvezető termékek gyártásához speciális berendezésekre van szükség (kép: Getty Images)

A félvezetők kritikus jellege ellenére a világ nagy része nem elosztott és ezért sérülékeny globális ellátási láncoktól függ. Ez a nagyon jelentős mértékű gazdaságossági előnyöknek köszönhető, amelyek gazdaságilag versenyképesebbé teszik a nagymértékben központosított termelést. Végül is a félvezetőgyártó létesítmények megépítése milliárdokba kerül, és nagyon magasan képzett személyzetre van szükség az üzemeltetésükhöz.

2. ábra: A lineáris motorok, a szíjhajtások és a miniatűr lineáris vezetősínek csak néhány a félvezetők feldolgozására szolgáló gépek nagy pontosságú berendezései közül (kép: Getty Images)

A legtöbb gyár (félvezetőszelet-készítő üzem) Tajvanon, Japánban, Kínában, az Amerikai Egyesült Államokban és Németországban található, és évtizedek óta működik. Ugyanakkor az összes félvezető több mint felét és a korszerű félvezetők több mint 90%-át Tajvanon gyártják, és minden nagyobb elektronikai gyártó egyetlen tajvani félvezetőgyárat használ a félvezetőgyártás legalább egy részéhez. A közelmúlt geopolitikai feszültségei élesen rávilágítottak az ilyen függőség veszélyeire. A 2022. évi, a félvezetők gyártását segítő ösztönzők létrehozásáról (CHIPS, Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors) és a tudományról szóló törvény ezt a problémát úgy kívánja kezelni, hogy ösztönzi az üzemeltetőket és az automatizálási beszállítókat az amerikai félvezetőgyártás megteremtésére és bővítésére.

A félvezetőgyártás helyzete

A legtöbb anyag vagy jól vezeti a villanyáramot, mint például a fémek, vagy szigetelő, mint például az üveg. A félvezetők villamos vezetőképessége a vezetőké és a szigetelőké között van. Ezt a vezetőképességet a kristályszerkezetbe szennyezőanyagokat juttatva, úgynevezett szennyezéssel vagy adalékolással lehet szabályozni. Az elektronátadó vagy idegen szóval elektrondonor elemmel történő szennyezés negatív töltésekkel látja el az n típusú félvezetőket. Ezzel szemben az elektronfelvevő vagy idegen szóval elektronakceptor elemmel történő szennyezés pozitív töltésű lyukakat hoz létre a p típusú félvezetőkben. Egy kristályon belül két szomszédos, de különbözőképpen szennyezett terület között félvezető pn-átmenet jön létre. A tranzisztorok lehetnek npn vagy pnp elrendezésűek.

A szilícium messze a legelterjedtebb félvezető anyag. A gyakori n típusú szennyezőanyagok a foszfor és az arzén, míg a gyakori p típusú szennyezőanyagok a bór és a gallium.

3. ábra: A Jabil Precision Automation Solutions hattengelyű robotja az automata fotomaszk-válogatással kapcsolatos feladatokat hajtja végre anélkül, hogy veszélyeztetné a pormentes laboratóriumi környezetet (kép: Omron Automation Americas)

A legfejlettebb félvezetőgyártással 1 és 100 nm közötti méretű (nanoméretű) tranzisztorok állíthatók elő. Mivel a nanométer a méter egymilliárdod része, és a szilárd anyagokban 0,1–0,4 nm az egyes atomok közötti távolság, a korszerű félvezető nanoszerkezetek megközelítették az anyagszerkezetek mérethatárát. Az ilyen termékek gyártásához szükséges rendkívüli pontosság megköveteli, hogy a technológiai folyamatokat pormentes laboratóriumokban hajtsák végre, valamint hogy a berendezések védve legyenek a szeizmikus tevékenység, a helyi légi járművek, vonatok, a forgalom és a közeli gépek okozta rezgések ellen.

Az IC-gyártás legjelentősebb folyamatai a félvezetőszelet-gyártás, a litográfia és a szelektív szennyezés – a leggyakrabban ionimplantációval. Sok gyár specializálódott a félvezetőszelet-gyártásra vagy az azt követő, fotolitográfiával és szennyezéssel végzett lapkagyártásra. A Taiwan Semiconductor (TSMC) félvezetőszeleteket és lapkákat egyaránt gyárt. Ez az egyetlen gyár a világon, amely képes korszerű 5 nm-es és 3 nm-es lapkák gyártására. Egyes félvezetőgyártóknak, például az Intelnek és a Texas Instrumentsnek saját gyárai vannak, és csak a legfejlettebb lapkák szállításához veszik igénybe a TSMC szolgáltatásait. Számos saját gyár nélküli gyártó (köztük az Apple, az ARM és az Nvidia) azonban teljes mértékben a TSMC-re támaszkodik a félvezetőgyártás terén.

4. ábra: A GlobalFoundries nemrégiben 1 milliárd dolláros beruházásba kezdett, hogy meglévő New York állambeli létesítményében további 150 000 félvezetőszeletet tudjon gyártani évente. Az új kapacitás célja, hogy kielégítse a gépjárműipari, 5G-s és a dolgok internetére kapcsolódó készülékekben használt funkciógazdag lapkák iránti keresletet. A létesítmény támogatni fogja a biztonságos ellátóláncra vonatkozó nemzetbiztonsági követelményeket is (kép: GlobalFoundries)

Bár az AMD a szó szoros értelmében saját gyár nélküli gyártó, de nem függ a TSMC-től, és korábban gyártott saját lapkákat. Az AMD felhagyott a gyártási tevékenységgel, és a gyártási üzletágát a GlobalFoundries névre nevezte át. Ez utóbbi az Amerikai Egyesült Államokban, Európában és Szingapúrban működtet gyárakat. A New York-i gyár korábban 14 nm-es lapkákat gyártott, de láthatáron van a 4 nm-es, majd 3 nm-es lapkák gyártása.

Az egyedi lapkagyártási technológiák figyelembevétele

A félvezetőgyártás nagy része olyan méretezhető, nagy hozamú technológiákat használ, amelyek egyedi jellemzők (akár nanoszintű jellemzők) millióinak egyetlen lépésben való létrehozását teszik lehetővé. Nézzünk meg néhány konkrétumot.

Szilíciumszelet-gyártás: A polikristályos szilíciumrögöket részben gázmentesített argonos légkörben megolvasztják, majd egy magkristály segítségével kihúzzák, hogy egy egykristályos szilíciumrudat – egy olyan hengert, amelyen a folyamat indításakor és leállításakor fej- és farokkúp alakul ki – növesszenek. Ebben a szakaszban lehet a szilíciumhoz valamilyen egységes szennyezőanyagot hozzáadni.

5. ábra: Az ábrán több kristályos szilíciumrúd és a belőlük szeletelhető korongok láthatóak. A kúpok a húzás után és a köszörülés és csiszolás előtt még láthatóak a rudakon (kép: Getty Images)

Ezután a rudat pontos átmérőjű tömbbé köszörülik és csiszolják, és a kristályok szálirányát jelző rovátkával látják el. A tömböt ezután drótfűrésszel szeletekre vágják, aztán a szeleteket gyémánt csiszolószerszámokkal lesarkalják és tükrösítik, majd a felületet kémiai maratással, hőkezeléssel, polírozással, valamint ultratiszta vízzel és vegyszerekkel történő tisztítással finomítják. Csomagolás előtt ellenőrzik a szeletek sík fekvését és részecskementes tisztaságát.

6. ábra: Még a látszólag ismerős tisztítóeszközök is új formát öltenek, amikor pormentes laboratóriumokban való használatra szánják őket (kép: ACL Staticide Inc.)

Litográfia: Az elektronikus áramköröket úgy állítják elő, hogy a félvezető hordozóanyagra egy vékony fém vezetőréteget visznek fel, aztán litográfia használatával maszkot nyomtatnak rá az áramkörök kialakítása végett, majd a fölösleges vezetőréteget lemaratják. Ezeket a módszereket eredetileg nagyobb nyomtatott áramkörökhöz fejlesztették ki, de ma már az IC-k nanoszintű gyártására is ezt használják. A fémlamellákat rácselrendezésben nyomtatják, az 5 nm-es eljárással készülő lapkák lamelláinak távolsága körülbelül 20 nm. Az automatizált rendszerek ehhez a különleges folyamathoz gyakran használnak közvetlen meghajtású technikákat, valamint stabilizáló alapokat és szoftvereket, sőt még légcsapágyakat is.

7. ábra: A nanoszerkezeteket elektronmikroszkóppal és pásztázó alagútmikroszkóppal lehet megvizsgálni. Az itt láthatóhoz hasonló fotomaszkjavító berendezések automatizálják a hibák felismerését és a javítás ellenőrzését, így növelve az átfutási sebességet. Az atomerő-mikroszkópia lehetővé teszi a hibák és idegen részecskék nanométeres, illetve angströmszintű pontossággal történő észlelését és javítását (kép: Park Systems)

Vékonyréteges anyagfelvitel: Ebben az eljárásban fémes anyagot visznek fel a szilíciumszeletre vákuumbepárlással, fémszórással vagy gőzfázisból való vegyi rétegkialakítással.

Mintázás: Ez a tényleges litográfiai folyamat, amelynek során a maszkot használják arra, hogy megakadályozzák a fémrétegnek a megjelölt területekről való eltávolítását a későbbi maratási lépésben. A szokásos mintafelviteli eljárások közé tartozik a fotolitográfia, az elektronsugaras litográfia és a nanorányomásos litográfia. A maszk rései közötti fémet lézer- vagy elektronsugárral elpárologtatják.

Maratás: Az anyagrétegek vegyi úton történő eltávolítása. A vegyi nedves maratáshoz erős maró hatású folyadékokat, például savakat, lúgokat és oldószereket, míg a száraz maratáshoz erős maró hatású gázokat használnak. A száraz maratás magában foglalja a reaktív ionos maratást és a vezetőképesen csatolt plazmás maratást is. Itt automata berendezések szabályozzák a folyamat időtartamát és sebességét, ami kulcsfontosságú a lapka jellemzőinek a tűréshatárokon belül tartásához.

Ionbeültetés: Miután a villamos vezetőcsíkokat létrehozták a szilíciumszeleten, a csomópontokban ki kell kialakítani az egyes tranzisztorokat a szilícium szennyezésével, hogy npn- vagy pnp-átmeneteket hozzanak létre. Ezt úgy érik el, hogy a szennyezőelemekből álló ionnyalábokat irányítanak a csomópontokra. A felgyorsított ionnyalábok a nagyon nagy sebességük következtében áthatolnak az anyagon, és az ionok beágyazódnak a szilíciumszelet kristályrácsába. A litográfiai folyamat során létrehozott mintákat az ionbeültetési (más néven ionimplantációs) folyamat pontos irányítására használják.

Automatizálás a félvezető-minőség biztosítása érdekében

Az amerikai félvezetőipar nagy része jelenleg inkább gyártóberendezéseket állít elő, mintsem hogy ténylegesen maga gyártaná a félvezetőket. Ezek a berendezések hagyományosabb mechanikus és elektronikus gyártásautomatizálási technikákat használnak. Például:

• A litográfiai berendezéseket az Applied Materials és az ASML gyártja.
• A gőzfázisból való vegyi rétegkialakítást végző berendezéseket a Lam Research and Applied Materials készíti.
• A plazmás maróberendezéseket a Lam Research, az Applied Materials és a Plasma-Therm állítja elő.
• Az ionimplantációs berendezések az Axcelis Technologies és a Varian Semiconductor Equipment Associates termékei.

Bár az Amerikai Egyesült Államok jelenleg az általa felhasznált félvezetők nagy részét importálja, bizonyos mértékig a gyártás minden szakaszát az Amerikai Egyesült Államokban végzik. Ezek közé tartozik az Intel, a GlobalFoundries, a Texas Instruments és mások által végzett félvezetőszelet- és lapkagyártás is.

A lapkagyártás során a vékonyréteges anyagfelvitelre, a litográfiás mintafelvitelre, a vegyi úton történő maratásra és az ionbeültetésre irányuló eljárások természetükből fakadóan méretezhetőek, és lehetővé teszik egyszerre több millió egyedi pn-átmenet létrehozását. A gyártók ezért részben a termelékenység növelése érdekében növelik az automatizálási szintet – de manapság még gyakrabban már a minőség javítása érdekében.

Az automatizálás kapcsolódik a vegyi, a lapka- és félvezetőszelet-kezelési műveletekhez, valamint a pormentes laboratóriumi robotok használatához is, amelyeket olyan gyártók kínálnak, mint a KUKA Robotics. A robotok fontos szerepet játszanak az emberi hibák okozta veszteségek csökkentésében.

8. ábra: Az együttműködő robotok hetedik tengelyű rendszereken mozogva kezelik a (40 µm vastag és akár 300 mm átmérőjű) szilíciumszeleteket, amelyek akár 1200 lépést is megtesznek előre haladva, miközben a lapkákat kialakítják rajtuk (kép: KUKA Robotics)

A félvezetőgyártásban azonban az automatizálás gyakran inkább az adatfeldolgozásról és az abból eredő döntések automatizálásáról szól. A gyárak automatizált algoritmusokat használnak a fejlett folyamatszabályozáshoz (APC, advanced process control) és a statisztikai folyamatszabályozáshoz (SPC, statistical process control). Ezek nyomon követik a technológiai változásokat és az azokból eredő gyártási hibákat, amelyeket a gyártási folyamatok valós idejű ellenőrzésével lehet csökkenteni. Az ilyen rendszerek mesterséges intelligenciát és gépi tanulást használhatnak a minták rengeteg folyamatparamétert és minőségi mutatót nyomon követő nagyon nagy adathalmazokban történő azonosítására.

A Siemens elgondolása szerint a fejlett folyamatszabályozás különböző módszereket foglal magában a szabályozási változók változatosságának csökkentése végett – beleértve a „nem pontosan definiált”, azaz fuzzy logikára építő nem pontosan definiált (fuzzy) szabályozást, a modell-elővételező szabályozást, a modellalapú szabályozást, a statisztikai modellt és a neurális hálózatokat. Az ilyen Ipar 4.0-s technikákat gyakran olyan beépített ökorendszereken keresztül valósítják meg, mint amilyeneket a Siemens vagy a Schneider Electric EcoStruxure (hogy két példát említsünk) kínál a félvezetőipar számára. A folyamatváltozók a megelőző karbantartás érdekében kombinálhatók a gép állapotfigyelésével, ami csökkenti a gyártógépek rutinszerű karbantartását, miközben megszünteti az állásidőt.

Összegzés

Ahogy az Amerikai Egyesült Államok biztosítani igyekszik a stratégiailag kritikus fontosságú félvezetők belföldi gyártásának versenyképességét, elengedhetetlenné válik a legkorszerűbb automatizálás. Az automatizálás legnyilvánvalóbb és legtöbbször látott megvalósítását az anyagmozgatást végző pormentes laboratóriumi robotok jelentik, de a tényleges gyártási folyamatok automatizált folyamatirányítása az, ahol valódi versenyelőnyökre lehet szert tenni. A nanoméretű IC-k hatékony és hibamentes gyártása a szilíciumkristályok növesztéséhez szükséges környezet szabályozásától a pn-átmenetek ionbeültetés útján történő pontos mértékű szennyezéssel megvalósított kialakításáig több ezer folyamatparaméter valós idejű ellenőrzésétől függ.

Végső soron az ipari dolgok internetére kapcsolódó érzékelők, a mesterségesintelligencia-algoritmusok és más fejlett modellalapú szabályozási módszerek összehangolását magában foglaló fejlett folyamatszabályozás tudja majd biztosítani az amerikai félvezetőipar versenyképességét.