P y R: Pasado, Presente y Futuro de la Fabricación de Semiconductores

Pasado, Presente y Futuro de la Fabricación de Semiconductores: Una entrevista con el Consultor Industrial Carl White

23 de junio de 2020

La Ley de Moore, un concepto planteado por primera vez por el cofundador de Intel Gordon E. Moore en 1965, predijo que el número de transistores en un circuito integrado (o microchip) tendría que duplicarse cada dos años, mientras que el coste de la informática se reduciría a la mitad, lo que llevaría a un crecimiento exponencial de la potencia de cálculo. La industria del semiconductor ha trabajado mucho para mantenerse al día con este paradigma, pero dar constantemente más potencia de procesamiento en menos espacio no es fácil, especialmente cuando la competencia se esfuerza por alcanzar el mismo objetivo y la demanda de los consumidores de tecnología avanzada es constante.

Gracias en gran parte a la Ley de Moore, la expresión "Esto tiene que... ¡tiene que ir más rápido!" es más frecuente en lo cotidiano de la industria del semiconductor que en la película Top Gun. Esta es una de las muchas impresiones de nuestra última conversación con el veterano industrial Carl White, principal asesor de ingeniería de C.L. White Engineering Services, LLC. Tras casi 40 años trabajando en empresas de la cadena de suministro de la industria del semiconductor, Carl aportó una excelente perspectiva sobre la innegable necesidad de velocidad—tanto en el desarrollo como en la potencia de procesamiento. Continúe leyendo para saber sus impresiones sobre lo que ha hecho falta para avanzar a la velocidad marcada por la Ley de Moore en el pasado, los retos a los que se enfrenta actualmente la industria del semiconductor y lo que podemos esperar ver en un futuro próximo.

Punto de Referencia Swagelok (PRS): Gracias por acompañarnos, Carl. ¿Puedes contarnos algo sobre ti, tus antecedentes?

Carl White: Nací en Arizona y estudié administración de tecnología industrial e ingeniería mecánica en ese estado, antes de empezar mi carrera en ASM, el fabricante de herramientas de procesamiento de semiconductores, en 1982. De ahí pasé a trabajar en Spectrum CVD, que era propiedad de Motorola en ese momento; Materials Research Corporation, que con el tiempo se convirtió en parte de Sony; Tokyo Electron, también conocida como TEL; y finalmente Applied Materials. He pasado 28 de mis 38 años en la industria del semiconductor trabajando en el sector de los OEM y los otros 10 años para un fabricante de chips, Motorola Semiconductor Products Group. Me jubilé de ASM el año pasado después de pasar los últimos 15 años trabajando en la tecnología ALD (deposición de capas atómicas). Ahora asesoro a las empresas de la industria.

PRS: Bueno, sin duda, tu perspectiva en la industria es muy interesante, ya que has estado en el lado de los OEM, y en el de los fabricantes de chips. ¿Qué te llevó a pasar tu vida profesional haciendo esto?

CW: Es una industria muy dinámica. La tecnología cambia constantemente y eso requiere creatividad y aprendizaje continuo para los que trabajamos en el sector. No podías aburrirte. También fue emocionante ver cómo los diseños en los que trabajé impulsaron el cambio, ya que la tecnología de los semiconductores es importante para casi todas las demás industrias.

PRS: ¿Qué tendencias principales has visto impulsar la evolución de la industria del semiconductor?

CW: Al principio, el programa espacial. Después, la tecnología de consumo. Pasamos de usar reglas de cálculo, a calculadoras, a ordenadores personales y a smartphones, y eso ha sido posible gracias a la evolución de la tecnología del semiconductor. Ahora lo que vemos conducir el cambio es la emergencia de la I.A. y los vehículos autónomos. La única constante ha sido la necesidad de producir bienes y transmitir información más rápidamente. Se requiere constantemente nueva tecnología de semiconductores para satisfacer la demanda de mayor potencia de procesamiento.

También juega un papel importante la competencia por el liderazgo en la innovación de los semiconductores. No se trata sólo de la competencia entre empresas, sino de algo que tiene lugar a escala mundial. Con el tiempo, diferentes países han liderado el desarrollo de la tecnología del semiconductor, y esos cambios dinámicos a veces conducen a una mayor colaboración a nivel industrial. Por ejemplo, en 1987, 14 empresas de semiconductores con sede en los Estados Unidos se unieron con el gobierno para formar SEMATECH, el grupo de fabricantes de chips, en un esfuerzo por mejorar la calidad de los chips que estaban produciendo para competir mejor en el mercado mundial. Eso aceleró el avance de la industria del semiconductor en los EE.UU. En ese momento, muchas compañías estaban tratando de hacerlo todo... diseñar, fabricar y vender tecnología de chips. Aprendieron a especializarse, lo que condujo a la creación de fundiciones que fabrican chips para otras empresas, ayudando también a agilizar el avance de la industria.

PRS: ¿Puedes explicar la relación entre la densidad de los chips y la evolución de la tecnología de los semiconductores y la electrónica que alimentaba? ¿Cómo ha influido eso en el equipo y los componentes necesarios para producir chips?

CW: La miniaturización es una necesidad constante para seguir la Ley de Moore. Para poner más transistores en los chips, hay que hacerlos cada vez más pequeños. También tienes que ajustar el equipo para alinearlo con los avances del proceso de fabricación. Un punto de inflexión importante fue a finales de la década de los 90, a principios de la década de 2000, cuando la industria pasó de obleas de silicio de 200 mm a 300 mm como base para los chips, lo que requirió importantes cambios en la fabricación y las herramientas. El desarrollo de puertas de alta K (constante dieléctrica) para transistores de 45 nm (nanómetros) que permitieron una menor fuga de electrones fue otro gran paso en la búsqueda de la miniaturización por parte de la industria. Tuve la suerte de trabajar en el desarrollo de los equipos que Intel usó para producirlos, así que fue emocionante vivir el cambio. Ahora, para tener una perspectiva, las empresas están trabajando en la producción de chips de 5 nm.

En general, hemos visto empresas que tratan de pasar a nodos de proceso más pequeños—es decir, la fabricación de tecnología de semiconductores de menor tamaño en un esfuerzo por crear transistores más pequeños, más rápidos y de mayor eficiencia energética—a una velocidad de "cada 18 meses". Esto supera la predicción de la Ley de Moore (pasar a nodos de proceso más pequeños cada dos años) porque eso es lo que están haciendo los competidores.

Los fabricantes de semiconductores dicen a los fabricantes de herramientas lo que quieren conseguir en cuanto al rendimiento de los chips, y qué procesos de producción requerirán probablemente. Los OEM trabajan en la fabricación de equipos de producción que puedan permitir ese tipo de rendimiento, y para ello colaboran con empresas como Swagelok para encontrar los componentes disponibles o para colaborar en la ingeniería de nuevos componentes que permitan habilitar sus herramientas. Esta colaboración es fundamental si las empresas de semiconductores van a mantener el ritmo de la innovación, ya que ayuda a los fabricantes de equipos originales a tener los componentes que necesitan hoy y ayuda a los fabricantes de componentes a anticiparse a las necesidades futuras de la industria.

PRS: ¿Es la demanda del mercado para aplicaciones electrónicas específicas la que impulsa la innovación en semiconductores, o el avance de la tecnología de los chips se adelanta a la demanda del mercado?

CW: Puede ir en cualquier sentido. A veces, la presión general para que la tecnología de los semiconductores evolucione constantemente puede conducir a grandes avances antes de que el mercado sepa qué hacer con la tecnología. Por ejemplo, en los años 90, las capacidades informáticas avanzaban rápidamente, pero faltaban los conocimientos y habilidades de software necesarios para utilizar toda la potencia de la tecnología de chips, por lo que las aplicaciones se quedaban muy atrás en relación a las capacidades de procesamiento. Pero en otros casos, puede haber presión para habilitar las aplicaciones existentes a hacer más, lo que vemos ahora con la necesidad de habilitar más aplicaciones de procesamiento de datos y de I.A.

Básicamente, hemos visto tres eras de demanda. Desde los años 60 a los 80, se trataba de capacitar ordenadores y equipos de cálculo. Había miles de transistores en los chips de entonces. A partir de la década de 1980, vimos un cambio de énfasis en la habilitación de la tecnología móvil como los ordenadores portátiles y los teléfonos móviles. Había millones de transistores en un chip en este momento. En la última década, la transferencia y el almacenamiento de datos está impulsando la demanda a medida que creamos una tecnología más conectada (con el auge del Internet de las cosas y los dispositivos inteligentes que impulsan la interacción social a toda hora) y centrada en los datos (con tendencias como el Big Data y el aprendizaje automático empujando).

PRS: ¿Cómo ha influido la demanda continua de chips más pequeños, pero más potentes, a los requisitos de rendimiento de los componentes de sistemas de fluidos utilizados en la fabricación de semiconductores?

CW: El cambio en la geometría de los chips de semiconductores con el tiempo ha impulsado la necesidad de diferentes productos de sistemas de fluidos utilizados en el proceso de fabricación de chips. Especialmente cuando los transistores se han reducido, es crucial evitar la contaminación en el procesamiento, ya que esto puede afectar al rendimiento y a la fiabilidad de los chips. Deben evitarse los procesos incontrolados y la contaminación de los componentes. Como resultado, la industria pasó de las válvulas de fuelle (de mayor vida útil) a las válvulas de diafragma (históricamente más limpias) que tienen menos "volumen muerto" y volumen de gas contenido, así como menos piezas móviles.

Ahora, con el reciente lanzamiento de la válvula Swagelok^® ALD20 estamos viendo las ventajas de la alta capacidad de caudal de una válvula de fuelle, con el rendimiento de ultra alta pureza (UHP) necesario en la fabricación de semiconductores modernos. Esto ha sido posible en parte porque las técnicas de fabricación han mejorado con el tiempo, y porque también tenemos acceso a materiales mejorados—como el acero VIM-VAR de alta calidad y las aleaciones resistentes a la corrosión, por ejemplo. También se están empleando mejores técnicas de acabado, como el electropulido y la pasivación, y mejores pruebas previas al lanzamiento de los productos que las que había antes. He visto a algunas compañías competir a fondo para lanzar una tecnología antes, pero no cualificaron bien sus productos, y eso nos causó problemas. En el sector del semiconductor, es importante saber que los productos cumplirán su función desde el principio; aquí son fundamentales productos fiables y consistentes en su naturaleza y en su rendimiento.

PRS: Igual que te planteaba antes con la demanda y el avance de la tecnología, ¿ha sido siempre la tecnología de las válvulas la que ha cambiado para permitir nuevos procesos de producción de chips, o ha sido el avance de la fabricación de semiconductores el que ha impulsado las innovaciones en los sistemas de fluidos?

CW: Los cambios en el proceso de fabricación de semiconductores han jugado un papel decisivo definiendo lo que necesitamos de las válvulas UHP y otros componentes de los sistemas de fluidos. Una parte del proceso de fabricación de microchips consiste en recubrir una oblea cristalina—de silicio, por ejemplo—con un gas precursor, y en una secuencia de dosis precisas en una cámara de deposición para recubrir uniformemente la oblea antes de que se solidifique. Cada vez más, se utilizan sustancias químicas precursoras, líquidas y sólidas, que se subliman mediante altas temperaturas y procesos cuidadosamente controlados, y luego se dosifican en las obleas mediante válvulas UHP. Estos productos químicos a menudo pueden ser inestables y tener características agresivas y corrosivas, lo que hace que sea difícil trabajar con ellos de manera eficaz.

Nos basamos en los procesos de deposición de capas atómicas (ALD) y de grabado de capas atómicas (ALE) frecuentemente, porque la deposición química de vapor (CVD) y los precursores que utilizamos en ese proceso no pueden ser controlados con suficiente precisión para facilitar la fabricación de chips con los transistores de pequeño tamaño que vemos hoy en día. Son estos cambios en los procesos y en la química—por ejemplo, la industria pasó de las conexiones de cobre a las de aluminio en la década de 1990 debido a su mayor conductividad—los que requieren cambios en los componentes.

Al principio, los fabricantes de herramientas vieron que el rendimiento deficiente de los chips normalmente estaba causado por problemas de proceso, más que por equipos defectuosos. La humedad, los productos químicos reactivos expuestos a la atmósfera, la acumulación de partículas en las válvulas que impiden un buen cierre—todos estos fueron desafíos que encontró la industria. Hemos aprendido a medida que hemos evolucionado a controlar los desafíos de los procesos, a menudo a través de componentes avanzados de sistemas de fluidos y diseños de sistemas. Eso ha influido positivamente en nuestros resultados, pero también ha influido en los procesos de fabricación de los chips y en los requisitos de rendimiento de los componentes de activación.

PRS: En este panorama histórico de la evolución de la fabricación de semiconductores, ¿qué desafíos afronta la industria hoy en día y cómo está influyendo en los requisitos de los componentes de los sistemas de fluidos?

CW: Para llegar a la siguiente etapa de fabricación de chips, necesitamos un control de producto fiable, reproducibilidad y consistencia en la fabricación de válvulas. Las herramientas de semiconductores necesitan muchas válvulas UHP, y es difícil tener un rendimiento perfectamente uniforme de una válvula a otra, pero necesitamos esa consistencia de fabricación. No se trata sólo de un producto de alta calidad, sino de esa misma calidad de válvula a válvula.

Además, los cambios de temperatura son importantes. Necesitamos consistencia en el rendimiento a temperaturas y velocidades de caudal más altas. Actualmente se presta más atención a la fabricación de chips NAND 3D, lo que significa que hay más capas de materiales que se extienden en cavidades más profundas de chips, apilando unos transistores sobre otros, por lo que es necesario dosificar más medios precursores en la oblea—hasta 200 veces más gas—para cubrir eficazmente esos lugares. Las tolerancias son cada vez más estrictas, y eso significa que hay menos margen para la variabilidad.

"Para llegar a la siguiente etapa de fabricación de chips, necesitamos un control de producto fiable, reproducibilidad y consistencia en la fabricación de válvulas".

PRS: Además de la dosificación precisa, la estabilidad de la temperatura y la capacidad de caudal, ¿qué más necesita la industria de las válvulas UHP para seguir cumpliendo con la Ley de Moore?

CW: También hay que centrarse en la limpieza y la resistencia a la corrosión. Las ciencias de los materiales son muy importantes aquí. Por ejemplo, la válvula ALD20 utiliza un fuelle de aleación 22 (Hastelloy^® C22) porque es un material muy resistente a productos químicos muy corrosivos. Pero por muy bueno que sea, ni siquiera este material es ideal en todos los procesos. Podría ser necesario un recubrimiento especial para manipular diferentes químicos a medida que las geometrías se hacen más pequeñas y los precursores químicos se vuelven más agresivos. El desarrollo de estos recubrimientos puede ser difícil y caro, pero cada vez tenemos menos tolerancia a la corrosión en nuestros procesos.

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Por eso es clave que los proveedores de soluciones para sistemas de fluidos trabajen estrechamente con los fabricantes de equipos originales y de semiconductores en el desarrollo de nuevos productos. La colaboración fue importante cuando Swagelok introdujo las primeras válvulas ALD hace décadas, y sigue siendo más importante que nunca. A veces eso implica trabajar con OEMs, pero como las necesidades de sus herramientas las mandan los fabricantes de chips, en ocasiones también hay que trabajar con ellos. Se trata de solucionar problemas juntos y decidir lo que tiene sentido en base a los ciclos de desarrollo de las empresas involucradas. Pero es esta colaboración la que permitirá la tecnología del mañana.

PRS: ¿Cómo ha sido la colaboración con los proveedores durante tu carrera? ¿Cómo lo has vivido personalmente?

CW: Al principio de mi carrera, cuando estaba en ASM, colaboré con Swagelok en el desarrollo de la válvula de diafragma UHP Swagelok^® Serie DH . Necesitábamos una válvula que funcionara en vacío a 220º C y que fuera más pequeña que la disponible en el mercado en ese momento, para que pudiéramos instalar más válvulas en un espacio pequeño y obtener un mejor rendimiento de nuestras herramientas ALD. Trabajé con Swagelok Southwest y el departamento de ingeniería corporativa de Swagelok para probar las opciones, y finalmente llegamos a una gran solución. El resultado fue una válvula de diafragma con un diseño de doble pistón, un nuevo lubricante para ayudar a evitar la contaminación en la cámara de vacío y una resistencia a las temperaturas extremas que podía durar más de 10 millones de ciclos.

También fue útil que el equipo Swagelok fuera transparente y estuviera dispuesto a compartir los protocolos de pruebas y los datos durante todo el proceso, lo que no siempre ocurre con otros fabricantes. Además, como siempre sucede con los esfuerzos de colaboración, la gente lo cambia todo. Necesitas trabajar con gente que te facilite disfrutar de tu trabajo, y el equipo con el que trabajé en este proyecto era de primera categoría. En mi carrera en la industria del semiconductor, siempre he buscado relaciones empresariales colaborativas en las que llegamos juntos a la meta, y no carreras y triunfos en solitario. Existen los dos tipos de empresas, así que siempre he elegido con cuidado.

PRS: ¿Qué es lo siguiente para la industria del semiconductor? ¿Qué retos habrá que superar y qué podemos esperar en el futuro próximo?

CW: Un desafío para la industria será mantenerse al día con las necesidades de escala. Ahora estamos en los nodos de proceso de 7 nm o 5 nm, ¿pero a dónde vamos desde aquí? ¿Existen los materiales y la capacidad de fabricación necesarios para seguir miniaturizando la tecnología? El apilamiento NAND 3D es una solución: estamos viendo más semiconductores apilados unos encima de otros, lo que permite triplicar el número de transistores en un área en comparación con lo que se ha hecho tradicionalmente. Se está trabajando en nuevas tecnologías para facilitar esto, como la tecnología de habilitación de depósitos selectivos que permite depositar sólo donde se quiera en una oblea, en lugar de cubrir toda la superficie.

Los materiales también están cambiando. La industria está estudiando el carburo de silicio como base para las obleas en lugar del silicio. El silicio es fácil de encontrar y barato, por lo que fue ampliamente adoptado, pero podríamos ver que materiales como el germanio vuelven a utilizarse ya que se necesitan otros materiales para alimentar los transistores de tamaños diminutos. También se han analizado otros materiales rápidos y prometedores, pero es posible que los procesos de fabricación o las exigencias de los chips no hayan hecho económicamente viables estos materiales específicos tan caros. Aunque ahora, podríamos necesitarlos

No son sólo los materiales de las obleas los que tendrán que cambiar, sino nuestros procesos: lo que depositamos, cómo grabamos, etc. Se están utilizando métodos más innovadores, como la litografía ultravioleta extrema (EUV), pero una vez que empecemos a trabajar con transistores de tamaños inferiores a 5–3 nm, es posible que eso no funcione mucho más tiempo. El coste aumenta exponencialmente a tamaños tan pequeños, por lo que puede que sean proveedores específicos los que traten de seguir la Ley de Moore, ya que va a ser demasiado caro para que lo hagan todos.

PRS: Gracias por tu visión, Carl. ¿Algún último comentario desde tu gran experiencia para los profesionales del semiconductor que ocupan puestos parecidos al tuyo?

CW: Si algo es seguro, es que seguiremos viendo avances, aunque no siempre podamos ver cómo se producen. La única cosa con la que puedes contar es la necesidad de relaciones fuertes y la colaboración para llegar a donde quieres ir.

Cuando se tiene una necesidad específica, no es tan fácil como pedirla o comprarla; a veces hay que trabajar con socios para desarrollar una solución de próxima generación. Cuando lo hagas, busca empresas que tengan la capacidad de ingeniería y la mentalidad de colaboración para ayudarte a llegar a donde quieres ir. Necesitas colaboradores que escuchen tus necesidades, que nunca prometan nada que no puedan hacer, y que no sacrifiquen la calidad sólo para complacerte. Es un riesgo que se corre con muchas empresas al moverse rápido, así que aprende en quién puedes confiar. Construir relaciones es lo mejor que puedes hacer para obtener resultados.

“ …busca empresas que tengan la capacidad de ingeniería y la mentalidad de colaboración para ayudarte a llegar a donde quieres ir. Necesitas colaboradores que sepan escuchar tus necesidades …”

PRS: Gracias, Carl. Te agradecemos tu tiempo y que hayas compartido tus conocimientos con nosotros hoy.

CW: Gracias a vosotros. Me gusta ayudar.

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