Uno sguardo a come l'automazione aiuta i produttori statunitensi a scalare la produzione di semiconduttori

I semiconduttori sono fondamentali per tutta l'elettronica moderna, la distribuzione dell'energia elettrica e la generazione di energia rinnovabile. I prodotti a semiconduttore vanno da semplici componenti discreti come transistor e diodi a complessi circuiti integrati o CI. I dispositivi a semiconduttore sono spesso essenziali per i gate logici che costituiscono i circuiti digitali. Sono presenti anche in oscillatori, sensori, amplificatori analogici, celle fotovoltaiche, LED, laser e convertitori di potenza. Le categorie di prodotti del settore comprendono memorie, logica, CI analogici, microprocessori, dispositivi di alimentazione discreti e sensori.

Figura 1: La produzione di circuiti integrati e di altri prodotti a semiconduttore richiede attrezzature speciali. (Immagine per gentile concessione di Getty Images)

Nonostante la natura critica dei semiconduttori, gran parte del mondo si affida a supply chain globali non diversificate e quindi vulnerabili. Ciò è dovuto alle grandi economie di scala che rendono più economicamente competitiva la produzione altamente consolidata. Dopo tutto, la costruzione di impianti per la produzione di semiconduttori costa miliardi e richiede personale molto qualificato.

Figura 2: Motori lineari, trasmissioni a cinghia e guide lineari miniaturizzate sono solo alcune delle apparecchiature di precisione presenti nei macchinari per la lavorazione dei semiconduttori. (Immagine per gentile concessione di Getty Images)

La maggior parte delle fabbriche (fonderie) si trova a Taiwan, in Giappone, in Cina, negli Stati Uniti e in Germania e lavora da decenni. Tuttavia, più della metà di tutti i semiconduttori e più del 90% di tutti i semiconduttori avanzati sono prodotti a Taiwan, e tutti i principali produttori di componenti elettronici utilizzano un singolo impianto di produzione di semiconduttori taiwanese per almeno una parte della loro produzione di semiconduttori. Le recenti tensioni geopolitiche hanno messo in evidenza i pericoli di una tale dipendenza. Il 2022 Creating Helpful Incentives to Produce Semiconductors (CHIPS) and Science Act mira a risolvere questo problema incentivando gli operatori e i fornitori di automazione a stabilire ed espandere la produzione di semiconduttori negli Stati Uniti.

Lo stato della produzione di semiconduttori

La maggior parte dei materiali è un buon conduttore di elettricità, ad esempio i metalli, o gli isolanti come il vetro. I semiconduttori hanno una conducibilità elettrica intermedia tra quella dei conduttori e quella degli isolanti; tale conducibilità viene regolata introducendo impurità all'interno della struttura cristallina mediante un processo chiamato drogaggio. Il drogaggio con un elemento elettron-donatore conferisce una carica negativa a un semiconduttore di tipo N. Al contrario, il drogaggio con un elemento elettron-accettore crea buchi con carica positiva per un semiconduttore di tipo P. Due regioni adiacenti ma diversamente drogate all'interno di un singolo cristallo formano una giunzione p-n semiconduttore. I transistor possono essere disposti con giunzioni NPN o PNP.

Il silicio è di gran lunga il materiale semiconduttore più comune. I comuni droganti di tipo N sono il fosforo e l'arsenico, mentre quelli di tipo P sono il boro e il gallio.

Figura 3: Il robot a sei assi di questa macchina di Jabil Precision Automation Solutions esegue le operazioni di smistamento automatico senza compromettere l'ambiente della camera bianca. (Immagine per gentile concessione di Omron Automation Americas)

La fabbricazione più avanzata di semiconduttori produce prodotti con caratteristiche in scala nanometrica tra 1 e 100 nm. Poiché un nanometro è un miliardesimo di metro e la distanza tra i singoli atomi in un solido è compresa tra 0,1 e 0,4 nm, le moderne nanostrutture di semiconduttori si sono avvicinate al limite delle dimensioni delle strutture materiali. L'estrema precisione della produzione di questi prodotti richiede processi eseguiti in ambienti puliti e protetti dalle vibrazioni causate da attività sismiche, aerei, treni, traffico e macchinari vicini.

I processi più importanti nella produzione di CI sono la produzione di wafer, la litografia e il drogaggio selettivo, più comunemente mediante impianto ionico. Molte fabbriche sono specializzate nella produzione di wafer o nella successiva fabbricazione di chip per fotolitografia e drogaggio. Taiwan Semiconductor (TSMC) produce sia wafer sia chip; è l'unico stabilimento che produce chip avanzati a 5 e 3 nm. Alcuni produttori di semiconduttori, come Intel e Texas Instruments, hanno i propri stabilimenti e si affidano a TSMC solo per la fornitura dei chip più avanzati. Tuttavia, molti produttori fabless (tra cui Apple, ARM e Nvidia) si affidano interamente a TSMC per la produzione di semiconduttori.

Figura 4: GlobalFoundries ha recentemente avviato un investimento di 1 miliardo di dollari per allestire il suo impianto esistente nello stato di New York alla produzione di altri 150.000 wafer all'anno. Questa nuova capacità mira a soddisfare la domanda di chip ricchi di funzionalità per applicazioni automotive, 5G e IoT. La struttura supporterà anche i requisiti di sicurezza nazionale per una supply chain sicura. (Immagine per gentile concessione di GlobalFoundries)

Sebbene AMD sia tecnicamente fabless, non dipende da TSMC e in passato ha prodotto chip propri. AMD ha scorporato la sua attività di fabbricazione e l'ha chiamata GlobalFoundries; quest'ultima gestisce fabbriche negli Stati Uniti, in Europa e a Singapore. La fabbrica di New York ha prodotto storicamente chip fino a 14 nm; all'orizzonte ci sono chip a 4 nm e successivamente a 3 nm.

Uno sguardo ai processi specifici per la produzione di chip

Gran parte della produzione di semiconduttori impiega processi scalabili ad alta resa per la creazione di milioni di caratteristiche individuali (anche su scala nanometrica) in un unico passaggio. Si pensi ad alcuni aspetti specifici.

Produzione di wafer di silicio: le pepite di silicio policristallino vengono fuse in un'atmosfera di argon parzialmente evacuata e poi tirate utilizzando un cristallo seme per far crescere un lingotto di silicio a cristallo singolo - un cilindro con coni di testa e di coda che si formano quando si avvia e interrompe il processo. In questa fase è possibile aggiungere al silicone un drogaggio uniforme.

Figura 5: Diversi lingotti di silicio cristallino e dischi che possono essere tagliati. I coni sono ancora presenti sui lingotti dopo l'estrazione e prima della molatura. (Immagine per gentile concessione di Getty Images)

Successivamente, il lingotto viene rettificato in un blocco con un diametro preciso e viene aggiunto un intaglio per indicare l'orientamento del cristallo. Il blocco viene quindi tagliato in wafer con una sega a filo; i wafer vengono smussati e lappati con strumenti di rettifica diamantati; infine, le finiture superficiali vengono perfezionate per incisione chimica, trattamento termico, lucidatura e pulizia con acqua ultrapura e sostanze chimiche. Prima di essere confezionati, i wafer vengono ispezionati per verificarne la planarità e l'assenza di particelle.

Figura 6: Anche prodotti per la pulizia apparentemente familiari assumono nuove forme quando sono destinati all'uso in camere bianche. (Immagine per gentile concessione di ACL Staticide Inc.)

Litografia: i circuiti elettronici sono prodotti depositando prima un sottile film di conduttore metallico su un substrato semiconduttore e poi utilizzando la litografia per stampare una maschera per i modelli del circuito, prima di incidere lo strato conduttivo rimanente. Questi metodi in origine erano stati sviluppati per circuiti stampati di grandi dimensioni, ma sono ora utilizzati per la fabbricazione di CI su scala nanometrica. Le alette metalliche sono stampate in uno schema a griglia, con chip di processo a 5 nm che presentano alette distanziate a un passo di circa 20 nm. I sistemi automatizzati per questo particolare processo utilizzano spesso tecnologie a comando diretto, nonché basi di stabilizzazione e software e persino cuscinetti ad aria.

Figura 7: Le strutture su scala nanometrica possono essere studiate con microscopi elettronici e microscopi a effetto tunnel. Le apparecchiature per la riparazione delle fotomaschere, come quella mostrata qui, automatizzano il rilevamento dei difetti e la verifica della riparazione effettuata per accelerare la produzione. La microscopia a forza atomica consente di rilevare e riparare difetti e particelle estranee con un'accuratezza nanometrica e una precisione a livello di angstrom. (Immagine per gentile concessione di Park Systems)

Deposizione di materiale a film sottile: in questo processo, il materiale metallico viene depositato sul wafer di silicio mediante evaporazione sottovuoto, deposizione per polverizzazione o deposizione chimica da vapore.

Modellazione: è il processo litografico vero e proprio durante il quale viene applicata la maschera per evitare che lo strato metallico si distacchi da aree selezionate nella successiva fase di incisione. I processi di modellazione più comuni includono la fotolitografia, la litografia a fascio di elettroni e la litografia a nanostampa. Il metallo tra le fessure della maschera viene vaporizzato con un raggio laser o elettronico.

Incisione: la rimozione chimica di strati di materiale. L'incisione in bagno chimico utilizza liquidi reattivi come acidi, basi e solventi, mentre l'incisione a secco utilizza gas reattivi. L'incisione a secco comprende l'attacco con ioni reattivi e l'attacco con plasma ad accoppiamento conduttivo. In questo caso, le apparecchiature automatizzate controllano la durata e la velocità del processo, fondamentali per mantenere le caratteristiche del chip entro le tolleranze.

Impianto ionico: una volta creata la griglia di connessioni elettriche su un wafer di silicio, i singoli transistor devono essere creati sulle giunzioni drogando il silicio per creare giunzioni NPN o PNP. Ciò si ottiene dirigendo fasci di ioni composti da elementi droganti sulle giunzioni. L'altissima velocità dei fasci di ioni accelerati fa sì che penetrino nel materiale e diventino parte del reticolo cristallino del wafer di silicio. I modelli creati durante il processo di litografia vengono utilizzati per guidare con precisione il processo di inserimento di ioni.

Utilizzo dell'automazione per garantire la qualità dei semiconduttori

Attualmente gran parte del settore dei semiconduttori statunitense produce attrezzature di fabbricazione ma non fabbrica i semiconduttori stessi. Questa apparecchiatura applica tecnologie di automazione meccanica ed elettronica più convenzionali. Ad esempio:

• Le apparecchiature per la litografia sono prodotte da Applied Materials e ASML.
• Le apparecchiature per la deposizione chimica da vapore sono prodotte da Lam Research e Applied Materials.
• Le apparecchiature per l'attacco al plasma sono prodotte da Lam Research, Applied Materials e Plasma-Therm.
• Le apparecchiature per l'impianto ionico sono prodotte da Axcelis Technologies e Varian Semiconductor Equipment Associates.

Sebbene attualmente gli Stati Uniti importino la maggior parte dei semiconduttori, tutte le fasi di produzione vengono eseguite in una certa misura negli Stati Uniti. Ciò include sia la produzione di wafer sia di chip da parte di Intel, GlobalFoundries, Texas Instruments e altri.

I processi per la deposizione di materiali a film sottile, la modellazione litografica, l'incisione chimica e l'impianto ionico per la fabbricazione di chip sono intrinsecamente scalabili e permettono di creare simultaneamente milioni di giunzioni individuali. I produttori stanno quindi aumentando i livelli di automazione in parte per migliorare la produttività, ma più spesso per migliorare la qualità.

L'automazione è associata anche alle operazioni di manipolazione di prodotti chimici, chip e wafer e all'uso di robot per camere bianche prodotti da aziende come KUKA Robotics. Questi ultimi svolgono un ruolo importante nel ridurre le perdite causate da errore umano.

Figura 8: I robot collaborativi si muovono su sistemi a settimo asse per gestire i wafer di silicio (con uno spessore di 40 µm e un diametro fino a 300 mm) mentre superano fino a 1.200 passaggi per essere trasformati in chip. (Immagine per gentile concessione di KUKA Robotics)

Ma nella produzione di semiconduttori, l'automazione è spesso più legata all'elaborazione dei dati e all'automazione delle decisioni che ne derivano. Le fabbriche utilizzano algoritmi automatizzati per il controllo avanzato dei processi o APC e per il controllo statistico dei processi o SPC. Questi tracciano le variazioni di processo e i conseguenti difetti di produzione, che possono essere ridotti grazie al controllo in tempo reale dei processi produttivi. Tali sistemi possono impiegare l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico per identificare i modelli all'interno di serie di dati molto grandi che tengono traccia di molti parametri di processo e metriche di qualità.

La leadership di pensiero presso Siemens definisce l'APC come un insieme di metodi per ridurre la variazione delle variabili di controllo, tra cui il controllo in logica fuzzy, il controllo predittivo del modello, il controllo basato su un modello, il modello statistico e le reti neurali. Tali tecnologie dell'Impresa 4.0 sono spesso implementate attraverso ecosistemi integrati, come quelli offerti da Siemens o da EcoStruxure di Schneider Electric (per fare due esempi) per il settore dei semiconduttori. Le variabili di processo possono essere combinate con il monitoraggio delle condizioni delle macchine per una manutenzione predittiva che riduce la manutenzione ordinaria delle macchine di produzione evitando i tempi di fermo.

Conclusione

L'automazione allo stato dell'arte sarà essenziale per gli Stati Uniti mentre si stanno muovendo per garantire la competitività della produzione nazionale di semiconduttori strategicamente critici. I robot per camere bianche che svolgono compiti di movimentazione dei materiali sono l'esempio concreto più ovvio e visibile dell'automazione, ma è il controllo automatizzato dei processi di fabbricazione veri e propri che produce reali vantaggi competitivi. Dal controllo dell'ambiente per la crescita dei cristalli di silicio alla garanzia di un drogaggio preciso delle giunzioni durante l'impianto ionico, la produzione efficiente e priva di difetti di CI su scala nanometrica dipende dal controllo in tempo reale di migliaia di parametri di processo.

In definitiva, sarà il controllo avanzato dei processi che prevede l'integrazione di sensori IIoT, algoritmi IA e altri metodi di controllo avanzati basati su modelli a garantire la competitività del settore dei semiconduttori statunitense.